古建木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點的力學(xué)性能研究.pdf

1、榫卯節(jié)點是古建筑木結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部分，榫卯損壞是該類結(jié)構(gòu)的主要破壞形式。因此，了解榫卯節(jié)點的力學(xué)性能是研究古建木結(jié)構(gòu)整體性能的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外關(guān)于榫卯節(jié)點的研究已經(jīng)取得了一些成果，但仍處于探索階段。本文總結(jié)并分析了現(xiàn)有的研究成果，結(jié)合清代燕尾榫做法進(jìn)行了節(jié)點試驗和有限元模擬分析，對木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點的力學(xué)性能進(jìn)行了較為深入的研究和分析。主要的研究內(nèi)容如下:
　　論文進(jìn)行了2個傳統(tǒng)燕尾榫和6個改進(jìn)燕尾榫節(jié)點的單調(diào)荷載試驗，并測定了試件所用

2、木材的強度和12個彈性常數(shù)。節(jié)點試驗結(jié)果表明:榫卯節(jié)點能承受一定的彎矩，但節(jié)點轉(zhuǎn)動變形不可忽略，呈現(xiàn)半剛性，彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系大致成三折線模式;在節(jié)點受彎過程中，存在榫頭離開卯口的趨勢，節(jié)點拔榫量與轉(zhuǎn)角之間基本呈線性關(guān)系。傳統(tǒng)燕尾榫和改進(jìn)燕尾榫的主要破壞形式為脫榫破壞，節(jié)點脫榫時，枋、柱基本完好，榫頭和卯口產(chǎn)生明顯的擠壓變形;榫卯間縫隙對節(jié)點承載力和剛度有明顯影響。
　　利用Abaqus有限元軟件的實體單元模擬枋、柱，選擇正交各向異性

3、的材料模型模擬木材，采用摩擦單元和“硬”接觸模型來處理榫頭和卯口間的切向作用和法向作用，建立燕尾榫節(jié)點模型進(jìn)行仿真模擬。通過與試驗結(jié)果的比較，驗證了有限元模型的正確性，并對誤差原因進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上對改進(jìn)燕尾榫模型進(jìn)行了系統(tǒng)的參數(shù)分析，包括節(jié)點尺寸、木材材料性能、摩擦系數(shù)以及榫卯間縫隙。分析結(jié)果表明:
　　(1)增大榫頭高度、寬度和長度能都能提高節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度和承載力;增大榫高最明顯，長度次之，寬度最差。
　　(2)

4、橫紋抗壓強度對節(jié)點承載力的影響大于橫紋抗壓彈性模量，而橫紋抗壓彈性模量對初始剛度的影響大于橫紋抗壓強度。
　　(3)接觸面摩擦系數(shù)越大，節(jié)點的初始轉(zhuǎn)動剛度和承載力越大。
　　(4)上表面縫隙和側(cè)面縫隙對節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度和承載力影響較大，縫隙越大，節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度和峰值彎矩就越小;頂面縫隙對節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度和承載力影響較小，縫隙越大，節(jié)點初始轉(zhuǎn)動剛度略微降低，對承載能力的影響不大。
　　根據(jù)有限元分析結(jié)果，建立了燕尾榫節(jié)

5、點拔榫量與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，給出了相應(yīng)的計算公式，該公式與文中試驗結(jié)果吻合較好，為節(jié)點理論模型提供拔榫量的計算方法。
　　在節(jié)點受力機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，通過簡化假定，建立節(jié)點的M-θ的理論模型，此理論模型顯示榫頭側(cè)面對節(jié)點彎矩的貢獻(xiàn)最大，占總彎矩的60％以上，其次是榫頭上下面，而榫頭頂面很小;理論曲線、試驗曲線和有限元曲線變化趨勢一致，具有一定的精度。為了便于使用，對理論模型進(jìn)行了簡化，刪除受壓區(qū)域榫頸區(qū)和榫頭頂面區(qū)對節(jié)點彎矩的貢獻(xiàn)，