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古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)分析一、前言中國(guó)是四大文明古國(guó)之一,在源遠(yuǎn)的歷史長(zhǎng)河中,流傳下了無數(shù)珍貴的物質(zhì)和文化遺產(chǎn),而其中重要的一部分就是古建筑木結(jié)構(gòu)。古建筑木結(jié)構(gòu)在世界建筑之林中獨(dú)樹一幟,影響深遠(yuǎn),是東方建筑的代表。古建筑木結(jié)構(gòu)有其獨(dú)特的構(gòu)造方式,如高臺(tái)基、榫卯連接、平擺浮擱、側(cè)腳和升起、雀替、斗拱鋪?zhàn)鲗拥?,展現(xiàn)出良好的抗震性能。不用一釘一鉚,整體體系以木構(gòu)架為主要承重構(gòu)件,全靠木構(gòu)件之間相互搭接和穿插而建造。被稱為三大“世界奇塔”之一的釋迦塔,是中國(guó)現(xiàn)存最高最古老的木塔,歷經(jīng)九百多年依然屹立不倒。二、榫卯節(jié)點(diǎn)古建筑木結(jié)構(gòu)總體可分為井干式、抬梁式和穿斗式等三種結(jié)構(gòu)形式。梁柱是主要的受力構(gòu)件,承載建筑的自身及外界荷載,而榫卯節(jié)點(diǎn)將梁柱構(gòu)件連接到一起,形成木構(gòu)架。因此,梁柱節(jié)點(diǎn)的榫卯連接是木結(jié)構(gòu)研究中的重要部分。榫卯節(jié)點(diǎn)中,“榫”即為凸出木構(gòu)件,“卯”為凹部木構(gòu)件。榫卯節(jié)點(diǎn)具有不同于現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的特性,其既具有很強(qiáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力又能夠傳遞一定的彎矩,具有明顯的半剛性特性。常見的榫卯連接形式有直榫和燕尾榫兩種。直榫中榫徑與榫頭同寬,多用于木構(gòu)件的穿插。燕尾榫榫頭大于榫徑,一般用于水平木構(gòu)件與豎直木構(gòu)件間的連接。三、榫卯連接工作機(jī)理以燕尾榫為例,分析榫卯節(jié)點(diǎn)在地震中的受力機(jī)理。為了施工安裝方便,一般卯口尺寸略大于榫頭尺寸,因此榫卯節(jié)點(diǎn)中會(huì)存在一定的間隙。當(dāng)外部震動(dòng)較小時(shí),榫卯之間發(fā)生微小轉(zhuǎn)動(dòng),結(jié)構(gòu)利用構(gòu)件轉(zhuǎn)動(dòng)與接觸面間的摩擦抵消震動(dòng)破壞的能量。當(dāng)震動(dòng)較大時(shí),榫卯節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生彎矩,軸力和剪力。此時(shí),梁受到力的作用,榫頭與卯口產(chǎn)生擠壓應(yīng)力,梁上的軸力與摩擦力、擠壓應(yīng)力平衡。隨著梁震動(dòng)位移增大,榫頭以榫徑為支點(diǎn),與卯口內(nèi)壁之間發(fā)生位移。由于燕尾榫榫頭寬度大于榫徑寬度,位移產(chǎn)生時(shí),榫頭側(cè)面受到卯口側(cè)壁擠壓應(yīng)力增大,摩擦力也相應(yīng)增加。相對(duì)滑移產(chǎn)生剪力,此時(shí)榫頭頂部與卯口上部擠壓作用明顯,彎矩作用產(chǎn)生。當(dāng)轉(zhuǎn)角增大到一定程度時(shí),卯口側(cè)壁與榫頭側(cè)面的擠壓應(yīng)力達(dá)到極限值,會(huì)導(dǎo)致卯口破壞或榫頭折斷。四、榫卯節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀古建筑木結(jié)構(gòu)具有重要的歷史和文化價(jià)值,保護(hù)工作意義非凡。榫卯節(jié)點(diǎn)常見的破壞模式有榫卯拔脫、榫頭折斷、卯口破壞等。對(duì)于榫卯節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能及加固技術(shù)方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量研究。方東平等在古建筑結(jié)構(gòu)特性試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,提出了木結(jié)構(gòu)特征的三維有限元計(jì)算模型和分析方法,第一次對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)的斗栱和榫卯節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能作定量研究;胡明等跟據(jù)木材的正交各向異性,采用廣義hill屈服準(zhǔn)則準(zhǔn)確建立木材的本構(gòu)模型,運(yùn)用AYSYS有限元軟件模擬并與試驗(yàn)對(duì)比分析碳纖維加固區(qū)木梁損傷;趙鴻鐵等通過燕尾榫節(jié)點(diǎn)木構(gòu)架的低周反復(fù)荷載試驗(yàn),得到彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線及骨架曲線,得到榫卯節(jié)點(diǎn)半剛性連接特性和節(jié)點(diǎn)剛度退化的規(guī)律。徐明剛等以1:2.65的縮尺比例制作宮殿式木構(gòu)架模型,并分別采用膠入鋼筋和外貼碳纖維布的方式加固榫卯節(jié)點(diǎn),進(jìn)行抗震性能試驗(yàn)研究,得出加載初期結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度有明顯提升,后期加固效果逐漸下降;周乾等對(duì)采用馬口鐵、鋼構(gòu)件和CFRP布加固的燕尾榫節(jié)點(diǎn)木構(gòu)架進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),研究得出三種加固方式都可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能,加固效果由高到低依次為:鋼構(gòu)件、碳纖維、馬口鐵;鄧大力等提出了耗能軟鋼的榫卯節(jié)點(diǎn)加固方式,并采用ABAQUS有限元軟件建立模型,對(duì)比分析直榫節(jié)點(diǎn)加固前后滯回曲線的變化,得出耗能軟鋼能能提高加固節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)剛度與耗能能力的結(jié)論;陳志勇等提出了借助有限元ABAQUS接口,編制程序,實(shí)現(xiàn)木結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型的嵌入,得出能反映木材正交各向異性發(fā)生脆性破壞和發(fā)生塑性變形的本構(gòu)模型;謝啟芳等,基于擬靜力試驗(yàn)結(jié)果、節(jié)點(diǎn)力學(xué)平衡和變形協(xié)調(diào)等條件,對(duì)燕尾榫節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系進(jìn)行了理論推導(dǎo),提出以屈服點(diǎn)和極限點(diǎn)作為特征點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角雙折線模型,并給出特征點(diǎn)的計(jì)算公式;MariaA.Parisi等研究了屋頂處鳥喙?fàn)顐鹘y(tǒng)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)足尺模型在單調(diào)循環(huán)荷載下的性能,并進(jìn)行數(shù)值模擬分析尺寸等參數(shù)的影響作用,得出鳥喙?fàn)钅窘Y(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能力與榫頭寬度、摩擦角大小、搭接的傾斜角有關(guān)。PrekratSilvana等運(yùn)用數(shù)值模擬的方法,探究在膠層加固木椅的榫卯節(jié)點(diǎn)中,剪切應(yīng)力和正應(yīng)力在膠層中的分布,以及超橢圓形和長(zhǎng)方形膠層外貼加固對(duì)節(jié)點(diǎn)剛度和強(qiáng)度的影響,得出超橢圓形膠層能夠更好地限制剪切應(yīng)力的發(fā)展;JorgeManuelBranco等對(duì)采用綁扎鐵條帶、張力棒、箍筋以及螺栓穿插等鐵件加固節(jié)點(diǎn)的木構(gòu)架進(jìn)行單調(diào)循環(huán)加載試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)這些加固技術(shù)都能顯著提高等效粘滯阻尼比、節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度和延性,螺栓和鐵條帶加固效果更好一些。JuddJ等試驗(yàn)分析12組在90°,67.5°,45°等不同連接角度下榫卯節(jié)點(diǎn)的抗拉力學(xué)性能,得出連接角度減小可能增加節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度,但降低了結(jié)構(gòu)延性以及當(dāng)榫卯連接之間樹紋相垂直時(shí),連接是最牢靠的結(jié)論。A.O.Feio等采用新舊栗木對(duì)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)足尺模型進(jìn)行試驗(yàn),并數(shù)值模擬對(duì)比分析失效模型與極限荷載,發(fā)現(xiàn)木材的抗壓強(qiáng)度和接觸面之間的法向剛度是影響極限荷載的主要因素。五、存在問題與展望1、在古建筑木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究中,對(duì)木材的含水率、斜紋、木節(jié)、裂縫、蟲蛀等天然缺陷未加考慮或考慮不夠充分;2、試驗(yàn)選用木材多為全新木材,不能準(zhǔn)確反映木結(jié)構(gòu)在環(huán)境影響下的物理性能退化,以及木結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特征;3、在有限元分析中,對(duì)木材正交各項(xiàng)
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