中國古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能研究.pdf

1、中國的古建筑以木結(jié)構(gòu)建筑為主而發(fā)展,是我國悠久文化遺產(chǎn)的重要組成部分。明、清兩代建筑,作為中國古代最后一個(gè)歷史階段發(fā)展最成熟的建筑成果,在中國建筑史上占有重要地位。榫卯節(jié)點(diǎn)是木結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位,節(jié)點(diǎn)的損壞也是古建筑木結(jié)構(gòu)損害的主要形式。從榫卯節(jié)點(diǎn)入手對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究具有重要的理論意義和社會(huì)價(jià)值。目前國內(nèi)外關(guān)于榫卯節(jié)點(diǎn)的研究取得了一些成果,但是仍處于探索階段。本文通過總結(jié)、分析現(xiàn)有研究成果的不足,結(jié)合清代做法的燕尾榫榫卯連接單節(jié)點(diǎn)試

2、驗(yàn)及木框架試驗(yàn),對(duì)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)受力性能、木框架整體性能進(jìn)行了較為深入的研究和分析。主要的研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　 在木材材料性能研究中,分析了老化、含水率、長期荷載對(duì)木材強(qiáng)度的影響。著重分析了木材老化的兩種情況:舊木材未腐朽及舊木材腐朽。得到其性能的變化規(guī)律:未腐朽舊杉木的順紋抗壓強(qiáng)度、橫紋抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量均較新杉木有所下降,其中橫紋強(qiáng)度下降幅度最大,抗彎強(qiáng)度其次,順紋抗壓強(qiáng)度最小。進(jìn)行了按木材耐腐朽分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3、劃分的不同腐朽程度舊杉木的材性試驗(yàn),一方面了解不同腐朽程度舊杉木強(qiáng)度的變化規(guī)律,另一方面為腐朽等級(jí)定量化提供新的思路。新、舊杉木順紋抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律一致,即隨著含水率的增大,其強(qiáng)度逐漸降低。此外,還進(jìn)行了木材干縮及大試塊材性試驗(yàn),為木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和理論分析計(jì)算提供材料性能數(shù)據(jù)。
　　 對(duì)5個(gè)按清代《工程做法則例》制作的改進(jìn)燕尾榫榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。詳細(xì)分析了榫卯節(jié)點(diǎn)拔榫量在加載過程中的變化規(guī)律,確定了節(jié)點(diǎn)拔榫量

4、定量關(guān)系表達(dá)式;榫卯節(jié)點(diǎn)的M-θ滯回曲線為“Z”字形,表明燕尾榫榫卯節(jié)點(diǎn)具有半剛性,節(jié)點(diǎn)枋、柱截面應(yīng)變基本上為線性分布,符合平截面假定。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):改進(jìn)燕尾榫榫卯節(jié)點(diǎn)為脫榫破壞(榫頭從卯口內(nèi)拔出),節(jié)點(diǎn)脫榫時(shí),柱、梁完好無損,榫頭和卯口產(chǎn)生明顯的擠壓變形;節(jié)點(diǎn)榫卯間的緊密程度也是影響節(jié)點(diǎn)承載力的主要因素。
　　 按《工程做法則例》做法制作了5個(gè)單間一榀木框架,進(jìn)行了低周水平反復(fù)荷載試驗(yàn)。詳細(xì)分析了木框架榫頭上、下表面與柱邊相對(duì)

5、位移及拔榫量在加載過程中的變化規(guī)律。由于加載方式不同,單節(jié)點(diǎn)拔榫量曲線與木框架節(jié)點(diǎn)拔榫量曲線有些差異,但總體變化趨勢(shì)一致。得到了框架節(jié)點(diǎn)拔榫量定量關(guān)系表達(dá)式;給出了木框架節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角計(jì)算公式,分析了拔榫量對(duì)左、右節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的影響。分析了木框架P-A曲線,木框架的水平承載力低、側(cè)移大,由柱項(xiàng)豎向荷載引起的附加彎矩和變形均較大,存在嚴(yán)重的P-A二階效應(yīng),柱頂豎向荷載對(duì)P-△曲線形狀有很大的影響。木框架榫卯節(jié)點(diǎn)M-θ滯回曲線形狀總體呈“Z”字形,有

6、比較明顯的“捏攏”效應(yīng),表明木框架榫卯之間在受力過程中發(fā)生了較大的滑移,節(jié)點(diǎn)為半剛性;分析了節(jié)點(diǎn)M-θ骨架曲線、剛度退化、節(jié)點(diǎn)延性等性能。本次試驗(yàn)框架的破壞形式為榫頭拔出,沒有發(fā)生材料破壞,且梁柱的彎曲變形較小。
　　 針對(duì)目前關(guān)于榫卯節(jié)點(diǎn)性能研究存在的不足,結(jié)合本文節(jié)點(diǎn)及框架試驗(yàn),詳細(xì)分析了一個(gè)完整加載循環(huán)(正向加載、正向卸載、反向加載、反向卸載)節(jié)點(diǎn)的受力機(jī)理,據(jù)此合理解釋了試驗(yàn)現(xiàn)象。建立了單節(jié)點(diǎn)M-θ關(guān)系理論模型。理論分析

7、表明榫頭拔榫量對(duì)節(jié)點(diǎn)彎矩影響較大;理論滯同曲線、骨架曲線與相應(yīng)的試驗(yàn)曲線發(fā)展趨勢(shì)一致,曲線吻合較好,分析模型具備了一定的精度。借助理論模型分析了榫頭截面尺寸、摩擦系數(shù)、榫卯間收縮縫隙對(duì)節(jié)點(diǎn)彎矩的影響趨勢(shì)。結(jié)合理論模型,得到了節(jié)點(diǎn)骨架曲線各特征點(diǎn):屈服轉(zhuǎn)角、最大彎矩時(shí)的轉(zhuǎn)角及節(jié)點(diǎn)脫榫時(shí)的轉(zhuǎn)角;為了使理論模型簡(jiǎn)便、實(shí)用,得到了節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化理論模型。
　　 用具有轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的連接單元來模擬框架節(jié)點(diǎn)的榫卯連接,建立了半剛性榫卯連接框架力學(xué)模型

8、,模型中考慮了拔榫量與二階效應(yīng)對(duì)木框架的影響;根據(jù)第五章建立的節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角模型,對(duì)木框架(P-Δ關(guān)系)進(jìn)行全過程分析,通過與試驗(yàn)比較,驗(yàn)證了彎矩-轉(zhuǎn)角模型和整體分析方法的合理性;分析了框架失穩(wěn)破壞時(shí)極限水平承載力和極限位移值;提出了適用于古建筑木結(jié)構(gòu)框架的雙參數(shù)地震破壞模型,并結(jié)合本文試驗(yàn),對(duì)木框架進(jìn)行損傷評(píng)估,對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑震害等級(jí)進(jìn)行劃分。
　　 針對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)及木框架的破壞形式(榫頭拔出),采用碳纖維布和膠入鋼筋加固框架節(jié)