干缩变形对透榫节点抗震性能影响的研究

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木结构建筑是我国古建筑的重要组成部分,其发展与中华文明相伴相生,是我国文明的重要载体,具有很高的历史、文化、艺术及科学价值。现存木结构古建筑在时间的推移中均积累了不同程度的损伤,其中木材干缩变形引起的节点松动是一种典型的损伤类型。因此,研究干缩变形对透榫节点抗震性能的影响,对木结构古建筑的修缮加固具有重要的理论价值与现实意义。本文通过削减榫头高度使榫卯间产生缝隙模拟透榫节点的干缩变形,制作了 2组不同尺寸及不同干缩程度的8个透榫节点试件进行低周反复加载试验,得到其破坏形态、卯口应变分布、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、刚度退化规律及耗能能力。试验结果表明:透榫节点变截面处贯通裂缝在较小的弯矩下便会发展形成,使得试件正向及负向转动时节点的受力机理存在较大的差异,透榫榫头在转动过程中存在明显的挠曲变形,节点正向转动时其耗能性能明显弱于负向转动时的耗能性能;透榫节点的干缩会对其抗震性能产生不利的影响,当榫头与卯口间的缝隙值增大时,试件转动过程中榫头与卯口的挤压区域会减小并且向端部集中,导致榫头与卯口不能充分的挤压;透榫节点的耗能能力会随着节点干缩程度的增加而减小,在榫头与卯口间缝隙值较小时节点耗能能力就有明显的削弱,当缝隙值为榫高的3%时,节点的耗能性能相较于紧密试件降低了 50%;适当缩小透榫榫头大头部分的长度能够提高透榫节点的力学性能。通过榫头相对卯口的转动及位移建立透榫节点的转动模型,按照卯口实际作用在榫头上的分布力建立节点受力模型,并采用双折线模型拟合榫头的挠曲变形,进行了不同干缩程度透榫节点弯矩-转角公式的推导。在求解过程中可发现:榫头相对卯口的转动中心在榫头剪力方向改变的截面上,且此处榫头截面上的弯矩达到峰值,其值的负数等于透榫节点此时的抵抗弯矩;在外荷载加载位置确定的情况下,榫头相对卯口的位移最终可用其相对转动角度的函数表达;在榫头相对卯口转动角度确定的情况下,节点的抵抗弯矩可通过数值计算近似求解。通过有限元软件ABAQUS对部分试件进行了建模分析,并将不同干缩程度透榫节点的模拟结果与试验结果进行对比。从对比中可以发现:模拟结果能够较准确的显示节点的破坏形态及榫头应力分布情况;由于建模时未能还原节点转动过程中的磨损情况及损伤累积,模拟结果的滞回曲线在数值上与试验结果有较大的差异,但模拟结果能够反映出透榫节点的滑移特性及正负向加载时滞回曲线不对称的特点;当榫头与卯口间存在缝隙或节点构造尺寸改变时,模拟结果能够反映出的节点抗震性能的改变,并与实际情况吻合;在对模拟结果中各级加载峰值点的弯矩进行修正后,模拟结果的骨架曲线与试验得到的各试件骨架曲线拟合程度较好。
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