穿斗式木結(jié)構(gòu)邊節(jié)點傳力特性及分析

李龍飛 吳秀峰 劉繼遠 張桐瑞 王 博

(遼寧工程技術大學土木工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

中華民族歷史文化悠久，擁有著數(shù)量非常龐大的木結(jié)構(gòu)房屋。因這種建筑材料具備來源廣泛、取材方便、質(zhì)量輕、易加工的優(yōu)點，而深受喜愛。木結(jié)構(gòu)建筑也隨之發(fā)展起來并流傳至今。木結(jié)構(gòu)在我國的鄉(xiāng)村農(nóng)鎮(zhèn)中特別常見，特別是在我國的川渝地區(qū)，穿斗式木結(jié)構(gòu)的房屋建筑更是隨處可見。很多景區(qū)建造了穿斗式木結(jié)構(gòu)的建筑用于供游客觀賞和居住，這些具有特色的建筑也成為了當?shù)氐囊坏里L景線，許多游客慕名前來。在穿斗式木結(jié)構(gòu)中，穿枋或斗枋依次穿透若干根木柱的柱身形成榫卯節(jié)點。在施加反復荷載時，榫頭和卯口的連接處不斷地發(fā)生摩擦、擠壓，研究表明，節(jié)點處傳力特性的好壞對木結(jié)構(gòu)承載力的大小有決定性的影響。

本文將研究穿斗式木結(jié)構(gòu)增剛耗能節(jié)點傳力特性，通過利用有限元分析軟件ANSYS對穿斗式木結(jié)構(gòu)的邊節(jié)點進行往復荷載模擬試驗，并對其彎矩—轉(zhuǎn)角滯回曲線展開分析。

1 直透榫節(jié)點的傳力特性

1.1 水平荷載

穿斗式木結(jié)構(gòu)的榫卯節(jié)點是直透式榫節(jié)點，依據(jù)其所在的位置分為邊節(jié)點以及中節(jié)點。當木柱受到水平荷載時榫頭和卯口相互擠壓，二者之間擠壓產(chǎn)生的摩擦力用來抵抗外界的水平荷載。當外部荷載大于二者擠壓產(chǎn)生的摩擦力的時候，枋柱之間會產(chǎn)生相對位移。實際上，木柱底部在基礎石之上，這種支座可以簡化成固定鉸支座的類型，也就相當于木柱固定鉸接到了基礎石之上。施加水平荷載時，木枋和木柱之間會發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，進而出現(xiàn)相應的轉(zhuǎn)動剛度。相對位移和相對轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動剛度將引起動摩擦，進而提高結(jié)構(gòu)延性(見圖1)。

1.2 豎向荷載

當施加豎向荷載時，木枋起到過渡作用，將外部的荷載傳遞到榫頭，榫頭和卯口共同承受荷載，荷載傳遞到木柱，最后再從木柱傳至基礎。當外部荷載較小時，節(jié)點處于彈性階段。隨著荷載的增加，木枋將產(chǎn)生豎直方向的變形，從而導致榫頭處發(fā)生豎向的位移和轉(zhuǎn)動，從而使二者接觸面上的摩擦力由靜摩擦變?yōu)閯幽Σ?。隨著榫頭的轉(zhuǎn)動，榫頭上表面和卯口內(nèi)表面間的縫隙越來越大，進而節(jié)點松動。因此，經(jīng)過一段的滑移后，二者才會重新接觸，繼續(xù)擠壓。當荷載繼續(xù)增加時由于縫隙是有限的，限制了榫頭的轉(zhuǎn)動，由此產(chǎn)生了塑性變形，最終導致了節(jié)點的破壞。

2 邊節(jié)點反復荷載有限元模型的建立

2.1 模型尺寸

本文按照1∶3.52的比例建立普通邊節(jié)點有限元模型[1]，邊節(jié)點網(wǎng)格劃分見圖2，具體構(gòu)件尺寸見表1。

表1 邊節(jié)點有限元模擬模型尺寸

2.2 材料特性

因木材為典型的各向異性材料，故本文在建立有限元模型時采用廣義Hill屈服準則來對木材進行有限元分析[2]。姜紹飛等[3]對木材彈性階段和塑性階段的各項參數(shù)指標進行了測定，其中強度測定的方法依照國家清材試樣規(guī)定的方法進行試驗，彈性模量的測定采取王麗宇等[4]的方法，即將應變片粘貼在待測試樣上進行測量。本文具體的木材在彈性階段、塑性階段的彈性模量、剪切模量、泊松比見表2,表3。

其中，x,y,z方向分別為木材的順紋方向、徑向和弦向；τy為剪切強度；Gt為塑性剪切模量。

表2 木材彈性階段材性參數(shù)

表3 木構(gòu)件有限元模型塑性階段材性參數(shù) MPa

2.3 邊界條件

穿斗式木結(jié)構(gòu)的柱腳一般采用柱腳榫插入基礎石的做法，故本文中對柱與基礎石的支座類型簡化為固定鉸支座[5]。這種支座比較符合實際情況，在模擬中也能夠控制柱地面所有節(jié)點的x,y,z方向上的位移。

2.4 加載機制

本文選擇的對普通邊節(jié)點的加載機制為：在位移為10 mm,15 mm,20 mm時每級循環(huán)一次，位移為25 mm,30 mm,35 mm,40 mm,40 mm時每級循環(huán)3次，共18個循環(huán)，見圖3。邊節(jié)點加載點圖示見圖4。

3 有限元模擬結(jié)果的分析

對結(jié)構(gòu)或構(gòu)件施加反復力，得到有關結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的力和變形的曲線，這條曲線稱為滯回曲線，滯回曲線由一圈圈的滯回環(huán)組成。通常我們可以用三種方法表示滯回曲線，分別是彎矩—轉(zhuǎn)角、荷載—位移還有應力—應變的關系。其中曲線所圍成的面積都代表能量，滯回環(huán)面積的大小可以簡單判斷耗能能力的強弱。圖5為普通邊節(jié)點彎矩—轉(zhuǎn)角滯回曲線。

通過圖5所示的彎矩—轉(zhuǎn)角關系的滯回曲線可以初步看出，其形成了具有一定面積的密閉空間，說明普通直透榫節(jié)點在承受反復荷載的過程中能夠耗散一定的能量。

普通邊節(jié)點的滯回曲線呈現(xiàn)出逐漸上升的趨勢，其中普通邊節(jié)點的反力和位移的關系曲線表現(xiàn)出反Z字形，在循環(huán)荷載的作用下，榫頭和卯口之間均產(chǎn)生了較大的滑移，而且隨著控制位移的增加，滑移量也逐漸加大，滑移這一特征與榫卯節(jié)點本身的構(gòu)造特點是相符的。當處于同一級控制位移加載下，第二次、三次循環(huán)的承載力和剛度比較接近，同第一次循環(huán)相比有明顯的降低，當節(jié)點處的控制位移增大一級時，第一次循環(huán)時曲線上升段的軌跡，與前一級控制位移作用下第二、三次循環(huán)曲線的軌跡相同。

4 結(jié)語

1)探究了穿斗式木結(jié)構(gòu)邊節(jié)點的傳力特性，得出了在直透榫節(jié)點的榫頭和卯口之間不斷的轉(zhuǎn)動擠壓的過程中，節(jié)點處產(chǎn)生相應的轉(zhuǎn)角，同時由于卯口逐漸變得松動，導致榫頭和卯口之間的間隙不斷增大，降低了節(jié)點的承載力和剛度。

2)總結(jié)了在建立穿斗式木結(jié)構(gòu)有限元模型時模型尺寸的縮放比例、材料力學性質(zhì)的探究、邊界條件以及加載機制的確定。通過采用有限元分析軟件ANSYS模擬的方法，對穿斗式木結(jié)構(gòu)直透榫邊節(jié)點施加往復荷載模擬試驗，得到了其彎矩—轉(zhuǎn)角滯回曲線，并對數(shù)據(jù)進行分析。