广府古建筑木结构箍头榫节点抗震性能研究

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广府祠堂建筑是一种介于高级殿堂与普通民宅之间的建筑体系,是广府地区民间建筑的典型代表。由于长期受到外部环境的侵蚀,现存数量众多的祠堂建筑均存在着不同程度的残损,迫切需要加以保护修缮。广府祠堂建筑中常采用箍头榫节点对梁柱进行连接,由于箍头榫节点的细部构造具有明显的地域特征,且节点尺寸和上部荷载在各祠堂实例中也存在着一定的差异。目前针对广府祠堂建筑箍头榫节点进行的研究非常稀少,这为广府祠堂木结构的保护和修缮工作带来了较大的困难。为了深入研究不同节点参数下广府地区箍头榫节点的抗震性能,本文主要开展了以下研究工作:(1)设计并制作了8个单向箍头榫节点试件进行低周反复荷载试验,通过对各试件节点的试验现象、滞回曲线、骨架曲线、延性、强度退化、刚度退化以及应变特点进行分析,研究了梁高、柱直径、榫宽度和柱顶轴压力等参数对节点抗震性能的影响。试验结果表明:节点的转动刚度、极限弯矩和耗能能力均随着梁高h和柱直径D的增大而增大;并随着榫宽t的增大呈现出先增大后减小的趋势,当榫宽为0.4D时,节点的刚度和极限弯矩最大,耗能能力最强;一定范围内改变轴压力对节点的抗震性能影响不大。(2)设计并制作了2个十字箍头榫节点试件进行低周反复荷载试验,通过对各试件节点的试验现象、抗震性能及应变特点进行分析,研究了榫宽对节点抗震性能的影响。试验结果表明:增大榫宽对节点正向加载的转动刚度和峰值弯矩有一定提升,但对反向加载的刚度、峰值弯矩以及节点耗能能力影响不大;由于节点正反向加载时的受力特点存在较大差异,因而其正反向加载时的滞回曲线、骨架曲线和环线刚度退化曲线均呈现出明显的不对称性;十字箍头榫节点的刚度和承载力均小于相同尺寸的单向箍头榫节点。(3)对各节点试件进行ABAQUS有限元分析,结果表明有限元模型可以较好地模拟试件的滞回曲线、骨架曲线、破坏形态和应力发展特点。在此基础上对梁高、柱直径、榫宽和轴压力等影响因素进行参数化分析,结果表明,节点屈服弯矩和极限弯矩基本随着梁高度h和柱直径D的增大而线性增大;且随着榫宽t的增大呈现出先增大后减小的趋势,当榫宽为0.4D~0.5D时,节点承载力最大且受力较为合理;当柱轴压力大于200kN时,节点中后期转动刚度、极限弯矩和极限转角随着柱顶轴压力的增加而减小;通过回归分析拟合得到了足尺节点模型的弯矩-转角关系式。(4)基于典型箍头榫节点的受力机理分析,对节点弯矩-转角理论关系进行了推导并通过试验结果验证了理论计算公式的正确性;对影响箍头榫节点弯矩-转角关系的因素分析后发现,节点初始刚度和极限弯矩随着梁高h、柱直径D、摩擦系数μ和卯口挤压区域宽度b的增大而增大。对理论计算公式进行简化并提出了以屈服点和极限点为特征点的双折线力学模型,该模型可为广府古建筑木结构的抗震性能研究以及保护和修缮工作提供理论依据。
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