江浙地區(qū)傳統(tǒng)木構建筑典型榫卯節(jié)點的力學性能研究.pdf

1、江浙地區(qū)現(xiàn)存眾多明清時期的傳統(tǒng)木構建筑遺產(chǎn)，這些木構建筑遺產(chǎn)的結構類型主要為穿斗結構體系和抬梁結構體系。由于長期的風雨侵蝕、人為、戰(zhàn)爭、自然災害的破壞，這些木構建筑遺產(chǎn)均存在不同程度的殘損和病害，對這些木構建筑遺產(chǎn)進行科學得保護已經(jīng)刻不容緩。結構安全性能的評估是對這些木構建筑遺產(chǎn)科學保護的前提，而榫卵節(jié)點的力學性能則是這些木構建筑遺產(chǎn)結構安全性能評估的核心問題。本文通過對江浙地區(qū)大量的明清傳統(tǒng)木構建筑遺產(chǎn)的實際調(diào)研分析，選取江浙地區(qū)傳統(tǒng)

2、木構建筑穿斗和抬梁體系中四種最具代表性的榫卯節(jié)點:透榫、半榫、饅頭榫和瓜柱柱腳直榫，通過試驗研究和有限元分析，全面得分析了這四種榫卯節(jié)點的力學性能，研究結果可為江浙地區(qū)穿斗體系和抬梁體系的傳統(tǒng)木構建筑遺產(chǎn)的結構性能分析提供關鍵參數(shù)和依據(jù)。本文的主要研究成果如下:
　　對江浙地區(qū)傳統(tǒng)木構建筑常用木材（杉木）的順紋抗壓強度、順紋抗拉強度、順紋抗剪強度、抗彎強度、抗彎彈性模量以及木材的含水率進行了測試和分析。根據(jù)正交對稱的假設，運用彈性

3、理論的方法來推導木材的應力應變關系，確定了木材彈性階段所需的九個獨立的彈性常數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗公式及廣義Hill屈服準則計算得到部分未知的彈塑性常數(shù)，再根據(jù)木材的缺陷和尺寸效應進行適當?shù)恼蹨p，得出江浙地區(qū)傳統(tǒng)木構建筑常用木材（杉木）具體的彈塑性本構模型。
　　基于對江浙地區(qū)傳統(tǒng)木構建筑實際案例榫卯構造的調(diào)研分析，設計了這四種榫卯節(jié)點的試驗模型。對透榫、半榫、饅頭榫和瓜柱柱腳直榫四種榫卵節(jié)點分別進行了低周反復荷載試驗研究。透榫的破壞形態(tài)為

4、榫頭斷裂，半榫的破壞形態(tài)為榫頭拔出破壞，饅頭榫的破壞形態(tài)為卯口破壞，瓜柱柱腳直榫的破壞形態(tài)為榫頭拔出破壞。這四種榫卯節(jié)點的M-θ骨架曲線可簡化為三折線模型，均經(jīng)歷了彈性階段、屈服階段和破壞階段。對四種棒卯節(jié)點的剛度退化規(guī)律分別進行了總結，并就位移延性和耗能能力進行節(jié)點間的橫向比較，結果表明:瓜柱柱腳直榫的延性最好，饅頭榫次之，半榫和透榫最次且半榫稍好于透榫;瓜柱柱腳直榫的耗能能力最差，半榫最好，透榫和饅頭榫則次之且二者相差不大。

5、　　綜合考慮木材材料的非線性和榫卯接觸的非線性，對透榫、半榫、饅頭榫和瓜柱柱腳直榫四種榫卵節(jié)點分別進行了ANSYS非線性有限元分析。理論分析時，先進行了面內(nèi)加載的工況分析，將有限元模擬結果和試驗結果進行對比分析，以驗證本文非線性有限元分析方法的可行性。在此基礎之上，對這四種榫卯節(jié)點分別又進行了面外加載和扭轉加載的工況分析。對每種榫卯節(jié)點，都分別從應力和榫頭滑移兩個角度進行分析，找出起控制作用的應力種類，判斷榫頭是否有脫離趨勢，據(jù)此總結了