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1、第41卷第4期西安建筑科技大学学报(自然科学版)Vol.41No.42009年8月J1Xi′anUniv.ofArch.&Tech.(NaturalScienceEdition)Aug.2009古建筑木结构燕尾榫节点刚度分析1,21,21,21,21,2赵鸿铁,张海彦,薛建阳,隋龑,吴磊(1.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;2.西部建筑科技国家重点实验室(筹),陕西西安710055)摘要:通过对典型燕尾榫榫卯连接的模型低周反复荷载试验,研究了榫卯半刚性连接特性和刚度退化规律.试验得出榫卯连接的弯矩2转角滞回曲线及
2、骨架曲线,并拟合出了弯矩2转角的关系方程和榫卯接节点恢复力模型,由实验结果给出了木结构榫卯连接刚度的非线性变化.研究结果为古建筑的抗震性能研究和修缮加固提供了理论基础.关键词:木结构;燕尾榫;滞回曲线;骨架曲线3中图分类号:TU366;TU311.1文献标识码:A文章编号:100627930(2009)0420450205中国古代木结构建筑的各个构件之间主要采用榫卯连接,木构榫卯由榫头和卯孔组成,可以承受一定的弯矩,具有很好的弹性和抵抗水平推力的作用,表现出较强的半刚性特性,且允许产生一定的变形,[122]可以吸收部分地震能量,减少
3、结构的地震响应.现在已有不少文献对古建筑构架的有限元模型和动[3][4]力分析进行了研究,指出木构榫卯的半刚性是古建筑耗能减震的主要原因以及它在传力机制中的重要作用.但这些研究都基于榫卯节点的理论分析和模型的简化.而其根本的特性研究是在试验中反应出来的.本文对燕尾榫木构架的低周反复荷载试验,通过对其滞回曲线和骨架曲线的研究分析,从理论和试验拟合的方向出发来研究燕尾榫榫卯的刚度特性.这将为古建筑木结构的动力分析提供计算和理论依据.1试验概况[5][6]按《营造法式》规定做法,采用1∶3.52的缩尺比例制作3个试验模型,试验模型及尺寸如
4、图1、图2所示.在枋上共布置5个位移计以测量其侧移,为了测量榫卯节点的转角,在相应节点位置各布置了两个转角仪和上下端面各两个位移计,在额枋的两端,榫头根部及柱的上下有关位置均布置了相应的电阻应变片以测量相应位置截面的变形.柱与额枋由榫卯连接,且柱头截面高出额枋顶面150mm,图1燕尾榫木构架试验模型图2燕尾榫木构架试验模型尺寸Fig.1Thetestmodelofmortise2tenonFig.2Themeasurementofmortise2tenonmodel3收稿日期:2008209218修改稿日期:2009205220基金
5、项目:国家自然科学基金资助项目(59878043);陕西省重点试验室建设项目(05JS17)作者简介:赵鸿铁(19392),男,江苏人,教授,博导,从事钢与混凝土组合结构、钢筋混凝土结构、古建筑及其抗震性能研究.第4期赵鸿铁等:古建筑木结构燕尾榫节点刚度分析451其上作用集中荷载20kN(相当于屋盖重量).试验过程中通过工字钢分载梁由可水平向同步运动的竖向液压千斤顶施加.试验开始前,通过工字钢分载梁先在两个柱头上分别施10kN竖向荷载,固定试件位置,并保持恒定不变.在加载初期,以力作为控制,在水平荷载P作用下,榫卯间隙逐渐挤紧并产生
6、“吱吱”声,经过一定变形后榫卯挤紧,榫卯连接刚度明显增大.随着P的增加,木构架的侧移增大且表现为沿柱身具有良好的线性关系.当荷载加大到一定程度,改为以位移控制加载时,榫头与卯口壁会产生互相挤压.燕尾榫本身构造的特殊性,使它可以承受拉力和压力的两个方向的力.随低周反复加载的继续,逐级控制变形量加大和循环次数的增加,使榫卯相互挤压变形加剧,两者间的咬合变得越发松动,到后期试验观察到的现象是榫卯明显拔出又闭合,但试验中没发生脱卯.经过大约十几个循环,榫头已从卯口中拔出40mm,而榫头原长为50mm尽管没脱卯,但横枋即将失去继续承担荷载能力
7、,可认定连接失效,结构破已经破坏.2试验结果分析2.1滞回曲线(M2θ)通过三组试件的低周反复荷载试验,得到主要特征参数如表1,榫卯节点滞回曲线如图3所示.表1试件的主要特征参数Tab.1ThecharacteristicparameteroftestspecimensTestLoadingYieldloadYieldangleUltimateloadUltimateanglespecimensdirectionMy/kN·mυy/radMmax/kN·mυu/radPush1.210.061.350.1No.1Pull20.912
8、0.0621.0220.09Push1.020.071.090.1No.2Pull21.1820.0621.2020.1Push1.010.061.230.11No.3Pull21.1520.0721.7820.12图3三组燕尾榫试件
