脱榫状态下古建筑燕尾榫节点结构性能研究

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我国古建筑历史悠久,以木结构为代表的建筑体系更具有其独特的艺术价值、历史价值及科学文化价值。其典型特征之一为榫卯节点形式的运用,即梁端做成榫头形式并插入柱头预留的卯口。地震作用下,一方面榫头与卯口相互摩擦挤压,耗散部分地震能量;另一方面榫卯的相互作用容易导致节点破坏,对整个结构的安全性有着不利影响。因此,开展木结构节点结构性能的研究具有重要的现实意义。  本文采用理论、试验与有限元仿真相结合的方法,从古建筑典型的榫卯连接形式-燕尾榫节点入手,对脱榫与木构架的静力特性进行了系统深入的理论分析和试验研究,主要的研究工作包括以下几方面。  1.参考其它学者的研究成果,理论研究燕尾榫节点受力、节点传力机制;应用材料力学原理,分析燕尾榫木构架的受力情况,得到节点破坏时的理论计算承载力,为性能试验、有限元仿真模拟中力学分析提供理论支撑。  2.依据《清式营造则例》大式建筑的尺寸,建立了四个不同脱榫程度的燕尾榫缩尺模型,通过竖向性能试验,得到了节点主要破坏形式、荷载-跨中位移、竖向抗弯刚度曲线,结合理论并分析试验数据,首次提出了静力作用下荷载-跨中位移的变刚度线弹性力学模型。  3.在合理的木材材料特性和接触滑移模型基础上,建立了四个试验尺寸的有限元模型,分析了榫卯接触面位移、应力、应变情况,并对节点拔榫的整个过程仿真。对比试验现象,确定了燕尾榫节点的主要破坏特点。  4.根据《古建筑木结构维护与加固技术规范》中相关条文,并对比以上三种方法关于燕尾榫节点的研究成果,引入“允许承载力”的概念,提出了一种简化的燕尾榫木构架承载力的理论计算方法。  5.结合上述研究,建立了节点初始脱榫量与木构架允许承载力关系的计算公式,得出了节点初始脱榫量对允许承载力的影响规律;同时引入有限元修正系数,建立了有限元及试验模型的允许承载力关系。
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