中國古建筑木結構榫卯節(jié)點抗震性能研究.pdf

1、中國的古建筑以木結構建筑為主而發(fā)展,是我國悠久文化遺產的重要組成部分。明、清兩代建筑,作為中國古代最后一個歷史階段發(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)點是木結構中的關鍵部位,節(jié)點的損壞也是古建筑木結構損害的主要形式。從榫卯節(jié)點入手對古建筑木結構進行研究具有重要的理論意義和社會價值。目前國內外關于榫卯節(jié)點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、分析現(xiàn)有研究成果的不足,結合清代做法的燕尾榫榫卯連接單節(jié)點試

2、驗及木框架試驗,對木結構榫卯節(jié)點受力性能、木框架整體性能進行了較為深入的研究和分析。主要的研究內容和成果如下:
　　 在木材材料性能研究中,分析了老化、含水率、長期荷載對木材強度的影響。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度、橫紋抗壓強度、抗彎強度、抗彎彈性模量均較新杉木有所下降,其中橫紋強度下降幅度最大,抗彎強度其次,順紋抗壓強度最小。進行了按木材耐腐朽分級標準

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

4、定量關系表達式;榫卯節(jié)點的M-θ滯回曲線為“Z”字形,表明燕尾榫榫卯節(jié)點具有半剛性,節(jié)點枋、柱截面應變基本上為線性分布,符合平截面假定。試驗結果發(fā)現(xiàn):改進燕尾榫榫卯節(jié)點為脫榫破壞(榫頭從卯口內拔出),節(jié)點脫榫時,柱、梁完好無損,榫頭和卯口產生明顯的擠壓變形;節(jié)點榫卯間的緊密程度也是影響節(jié)點承載力的主要因素。
　　 按《工程做法則例》做法制作了5個單間一榀木框架,進行了低周水平反復荷載試驗。詳細分析了木框架榫頭上、下表面與柱邊相對

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)點拔榫量曲線與木框架節(jié)點拔榫量曲線有些差異,但總體變化趨勢一致。得到了框架節(jié)點拔榫量定量關系表達式;給出了木框架節(jié)點轉角計算公式,分析了拔榫量對左、右節(jié)點轉角的影響。分析了木框架P-A曲線,木框架的水平承載力低、側移大,由柱項豎向荷載引起的附加彎矩和變形均較大,存在嚴重的P-A二階效應,柱頂豎向荷載對P-△曲線形狀有很大的影響。木框架榫卯節(jié)點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,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)點為半剛性;分析了節(jié)點M-θ骨架曲線、剛度退化、節(jié)點延性等性能。本次試驗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。
　　 針對目前關于榫卯節(jié)點性能研究存在的不足,結合本文節(jié)點及框架試驗,詳細分析了一個完整加載循環(huán)(正向加載、正向卸載、反向加載、反向卸載)節(jié)點的受力機理,據(jù)此合理解釋了試驗現(xiàn)象。建立了單節(jié)點M-θ關系理論模型。理論分析

7、表明榫頭拔榫量對節(jié)點彎矩影響較大;理論滯同曲線、骨架曲線與相應的試驗曲線發(fā)展趨勢一致,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)、榫卯間收縮縫隙對節(jié)點彎矩的影響趨勢。結合理論模型,得到了節(jié)點骨架曲線各特征點:屈服轉角、最大彎矩時的轉角及節(jié)點脫榫時的轉角;為了使理論模型簡便、實用,得到了節(jié)點簡化理論模型。
　　 用具有轉動剛度的連接單元來模擬框架節(jié)點的榫卯連接,建立了半剛性榫卯連接框架力學模型

8、,模型中考慮了拔榫量與二階效應對木框架的影響;根據(jù)第五章建立的節(jié)點彎矩-轉角模型,對木框架(P-Δ關系)進行全過程分析,通過與試驗比較,驗證了彎矩-轉角模型和整體分析方法的合理性;分析了框架失穩(wěn)破壞時極限水平承載力和極限位移值;提出了適用于古建筑木結構框架的雙參數(shù)地震破壞模型,并結合本文試驗,對木框架進行損傷評估,對木結構古建筑震害等級進行劃分。
　　 針對單個節(jié)點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)