采用耗能裝配節(jié)點的榫卯木構(gòu)架抗震性能有限元分析

摘要：

針對榫卯木構(gòu)架常規(guī)梁柱榫卯節(jié)點的缺陷，提出一種榫卯木構(gòu)架的梁柱耗能裝配節(jié)點。為研究該耗能裝配節(jié)點對木構(gòu)架抗震性能的影響，利用有限元軟件ABAQUS建立帶有全鋼耗能裝配節(jié)點、橡膠柔性耗能裝配節(jié)點、無加固的榫卯式節(jié)點三種不同類型榫卯木構(gòu)架的有限元模型，并進行單調(diào)荷載加載分析和低周反復(fù)加載分析，主要研究這三類榫卯木構(gòu)架模型的破壞特征、滯回曲線、骨架曲線、承載力及耗能能力等力學(xué)性能;同時，利用能力譜曲線和需求譜曲線，采用性能點探討三類木構(gòu)架的抗震性能。結(jié)果表明，與原榫卯木構(gòu)架相比，該耗能裝配節(jié)點能夠有效地調(diào)整和控制木構(gòu)架的破壞模式，增強梁柱節(jié)點的非線性力學(xué)性能，顯著提高榫卯木構(gòu)架的整體抗震性能。

關(guān)鍵詞：

榫卯木構(gòu)架; 耗能裝配節(jié)點; 力學(xué)性能; 性能點; 抗震性能

中圖分類號： TU366.2""""" 文獻標志碼：A"" 文章編號： 1000-0844（2025）01-0010-12

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230119002

Finite element analysis of seismic performance of mortise-tenon wooden

frame structures with energy-absorbing assembly joints

WU Zhongtie， ZHANG Ke， XIE Ning， ZHAO Cheng， WU Wei

（School of Civil Engineering， Northwest Minzu University， Lanzhou 730030， Gansu， China）

Abstract：

A beam-column energy-consuming assembly joint for mortise-tenon wooden frames is proposed to address the defects of conventional beam-column mortise-tenon joints. Finite element models were developed using ABAQUS software to investigate the influence of these energy-consuming assembly joints on the seismic performance of wooden frames. The models represent three different types of mortise-tenon wooden frames： with all-steel energy-consuming assembly joints， with rubber flexible energy-consuming assembly joints， and with original mortise-tenon joints. Through monotonic loading and low cyclic loading analyses， the mechanical properties of the three mortise-tenon wooden frame models were examined， focusing on failure characteristics， hysteresis curves， skeleton curves， bearing capacity， and energy-consuming capacity. In addition， the seismic performances were evaluated using capacity and demand spectrum curves with performance points to analyze the three frame types. Results indicate that， compared with the original mortise-tenon wooden frame， the energy-consuming assembly joint effectively adjusts and controls the failure mode of the wooden frame， enhancing the nonlinear mechanical properties of the beam-column joints and evidently improving the overall seismic performance of the mortise-tenon wooden frames.

Keywords：

mortise-tenon wooden frame; energy-consuming assembly joint; mechanical properties; performance point; seismic performance

0 引言

木構(gòu)架榫卯節(jié)點具有半剛性特點，能在地震作用時產(chǎn)生較大滑動位移而減輕結(jié)構(gòu)的地震損傷。但若沒有良好的拉結(jié)措施，榫卯節(jié)點可能脫開而導(dǎo)致節(jié)點失穩(wěn)、房屋倒塌，因此，榫卯節(jié)點是木結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的關(guān)注重點［1］。我國處于歐亞板塊的東南部，地震烈度在6度以上的地區(qū)多出現(xiàn)于我國西部，而受地區(qū)經(jīng)濟、自然條件、傳統(tǒng)民族文化等因素影響，木結(jié)構(gòu)仍是這些地區(qū)村鎮(zhèn)民居建筑的一種主要結(jié)構(gòu)形式［2］。雖然木構(gòu)架整體抗震性能較好，但村鎮(zhèn)木構(gòu)架往往沒有經(jīng)過嚴謹?shù)目拐鹪O(shè)計，大部分房屋由施工者按照經(jīng)驗施工，且多數(shù)使用年限較長，年久失修，一旦發(fā)生地震，未加固的木結(jié)構(gòu)房屋榫卯節(jié)點極易出現(xiàn)斷裂、拔榫等破壞，造成嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡［3］。

近年來由于地震頻發(fā)，偏遠村鎮(zhèn)地區(qū)建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能也引起了大量學(xué)者的關(guān)注。目前國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者都對榫卯形式木構(gòu)架的破壞機理進行了大量研究。King等［4］發(fā)現(xiàn)木構(gòu)架榫卯節(jié)點的損傷狀態(tài)會導(dǎo)致其抗彎剛度降低;張錫成等［5］通過透榫柱架模型試驗，明確了柱體搖擺對柱架抗側(cè)剛度的影響隨節(jié)點剛度的增大而逐漸降低，且豎向荷載對柱架的抗側(cè)剛度具有較為明顯的提升作用;薛建陽等［6］則通過殿堂型木構(gòu)模型振動臺試驗研究了其動力特性和地震反應(yīng)，指出木構(gòu)榫卯連接的柔性和擠壓變形是結(jié)構(gòu)耗能減震的主要原因。為了增強木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點的性能，許多學(xué)者通過各種不同的抗震加固方式來提高節(jié)點的抗震能力。相關(guān)研究表明，采用橡膠、鋼材、纖維布等不同材料和方式對榫卯節(jié)點區(qū)域進行加固能明顯提高結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能［7-10］。Palermo等［11］設(shè)計和研究了一個由單板層積材制造的自復(fù)位木梁柱節(jié)點，發(fā)現(xiàn)節(jié)點自復(fù)位性能良好，滯回曲線呈旗幟形。聶雅雯等［12］對不同緊密程度的附加黏彈性阻尼器燕尾榫節(jié)點開展了擬靜力試驗，研究結(jié)果表明緊密節(jié)點耗能較強，安裝阻尼器后節(jié)點剛度、強度和耗能均得到提高，且負向加載時提高較顯著。

上述研究表明，梁柱為榫卯連接，由于榫卯構(gòu)造嚴重削弱了木構(gòu)件的截面積，節(jié)點主要通過榫和卯之間的摩擦力傳遞荷載，因而在榫卯連接節(jié)點損傷時結(jié)構(gòu)強度急劇降低，造成節(jié)點承載能力與剛度的降低［13］。其次，柱體置于地面無有效約束，在地震荷載作用下發(fā)生擺動，各個柱腳產(chǎn)生不定向的滑移，并不利于結(jié)構(gòu)上下整體的協(xié)調(diào)變形。

由于上述問題的存在，榫卯木構(gòu)架在地震作用下極易發(fā)生節(jié)點失效，甚至導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)倒塌。本文提出多種榫卯木構(gòu)架耗能裝配節(jié)點［14-15］。為研究該裝配節(jié)點的耗能非線性力學(xué)性能及整體榫卯木構(gòu)架的抗震性能，以典型民居建筑為參考，設(shè)計了2種不同耗能裝配節(jié)點的兩榀一層榫卯木構(gòu)架模型，并與無加固的榫卯連接節(jié)點的木構(gòu)架結(jié)構(gòu)模型對比，完成了模型的有限元分析，探討了裝配節(jié)點的受力性能、破壞模式、滯回特性與耗能能力，利用能力譜和需求譜對木構(gòu)架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能進行了評估。

1 榫卯木構(gòu)架耗能裝配節(jié)點設(shè)計

該耗能裝配節(jié)點采用不同硬度的橡膠填充材料與鋼材制成的耗能裝配裝置來提高節(jié)點的阻尼，以達到抗震的需求，實現(xiàn)節(jié)點力學(xué)性能的可控性。預(yù)制混凝土梁幾何尺寸為8 000 mm（長） × 400 mm（寬）× 400 mm（高），梁底部每跨中心間距3 000 mm設(shè)置一個嵌槽。梁柱裝配節(jié)點構(gòu)造如圖1所示，其嵌槽深度100 mm。方木邊長為200 mm，高度3 000 mm;榫頭長為100 mm，寬為100 mm;橡膠粘結(jié)于木柱底端部，其厚度為5 mm，方形木柱底端立于嵌槽內(nèi)部，與混凝土梁方形嵌槽的底面直接接觸，嵌槽周圍預(yù)留20 mm環(huán)形空隙，并用C30混凝土填充澆筑;梁柱榫卯的節(jié)點加固使用厚度為3 mm的Q235鋼材，將其粘結(jié)在梁、柱節(jié)點端部，在其外部再粘貼5 mm厚度的方形橡膠，之后繼續(xù)使用3 mm厚度的焊接鋼片包覆于橡膠外側(cè)。圖2為加固木框架各節(jié)點的剖面示意圖，其中節(jié)點1、2、3處的構(gòu)造與加固方式為：節(jié)點1為中柱半卯連接的十字加固方式，即采用一種木結(jié)構(gòu)柱與梁的阻尼型柔性裝配節(jié)點的裝配方法［14］;節(jié)點2為中柱與地梁嵌槽連接裝配方式，采用文獻［15-16］提供的裝配節(jié)點方式;節(jié)點3為邊柱半卯連接的加固連接方式。節(jié)點加固件和相關(guān)尺寸如圖3所示。

2 ABAQUS有限元模型建立

2.1 材料本構(gòu)的確定

為建立能模擬木材材料復(fù)雜力學(xué)性能的本構(gòu)模型，將在彈性階段表現(xiàn)為各向異性的木材材料簡化為正交各向異性材料，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可通過9個獨立彈性常數(shù)的矩陣形式表達［17］，即為其本構(gòu)關(guān)系：

σ11σ22σ33σ12σ23σ31=

D1111D1122D1133000

D1122D2222D2233000

D1133D2233D3333000

000D121200

0000D23230

00000D3131ε11ε22ε33ε12ε23ε31 （1）

D1111=E1（1-ν23ν32）γ，D2222=E2（1-ν13ν31）γ，

D3333=E3（1-ν12ν21）γ，D1122=E1（ν21+ν31ν23）γ，

D1133=E3（ν13+ν12ν23）γ，D2233=E2（ν32+ν12ν31）γ，

D1212=2G12，D3131=2G31，D2323=2G23，

ε12=γ12/2，ε23=γ23/2，ε31=γ31/2，

γ=（1-ν12ν21-ν23ν32-ν31ν13-2ν21ν32ν13）-1。

式中：E1、E2和E3分別為木材順紋縱向（L）、橫紋徑向（R）和切向（T）3個方向的彈性模量;G12、G23和G31分別為木材L-R、R-T和T-L平面內(nèi)的剪切模量;νij為材料的泊松比;σij為應(yīng)力分量;εij為應(yīng)變分量。

木材在塑性階段選用Hill塑性屈服準則以表達其正交各向異性的材料屬性，采用理想化的雙折線模型，使用ABAQUS自帶的potential函數(shù)來定義材料各正交方向的屈服應(yīng)力比。通過自定義屈服應(yīng)力σ0和6個各向異性屈服應(yīng)力比來定義正交各向異性材料的塑性屈服階段，以確定木材各向異性屈服應(yīng)力［18］，定義屈服應(yīng)力σ0為34.2 MPa。木材具體參數(shù)列于表1。

預(yù)制混凝土梁部件中混凝土模型選用塑性損傷模型，混凝土膨脹角取30°，塑性勢函數(shù)偏心率取0.1，其雙軸極限抗壓強度與單軸極限抗壓強度比值取1.16，拉壓子午線第二應(yīng)力不變量的比值為0.667，黏性系數(shù)為0.005，C30混凝土彈性模量21.1 GPa，C60混凝土彈性模量24 GPa，泊松比取0.2。混凝土進入塑性階段后，參考混凝土塑性損傷模型（Concrete Damaged Plasticity）的應(yīng)力-非彈性應(yīng)變關(guān)系，損傷因子-非彈性應(yīng)變?nèi)∥墨I［19］中的相關(guān)參數(shù)。

橡膠采用Mooney-Rivlin模型，橡膠基準參數(shù)依據(jù)文獻［20］取邵氏硬度為71 HA，C01=0.168 9，C10=0.807 3。

2.2 單元選擇

模型單元網(wǎng)格主要以六面體單位為主進行劃分，其中木柱、混凝土梁采用實體單元C3D8R單元，橡膠采用C3D8H雜交單元進行模擬。

2.3 相互作用與加載模式

木柱底部與梁接觸面采用面-面接觸，切向摩擦采用“罰”摩擦公式表達，摩擦系數(shù)為0.5，法向接觸應(yīng)力行為設(shè)置為“硬接觸”。方橡膠環(huán)與方柱底端部采用默認粘結(jié)接觸，切向行為定義為無摩擦，通過綁定約束定義橡膠環(huán)外部面與C30混凝土梁的約束。耗能裝置夾層橡膠與內(nèi)、外鋼材采用綁定約束。

為得到荷載-位移曲線，采用位移控制加載制度。加載方式分為單向荷載加載與往復(fù)荷載加載，單向加載位移從0～150 mm（1/20），每級增量10 mm;循環(huán)加載采用變幅加載方式，前4級循環(huán)加載每級增量5 mm，后8級循環(huán)加載每級增量10 mm，直至位移循環(huán)加載至100 mm（1/30）。

2.4 模型參數(shù)

本文根據(jù)實際分析問題的需要建立不同類型模型。模型具體參數(shù)如表2所列。

3 模型加載變形分析

3.1 破壞模式

該榫卯木構(gòu)架整體破壞模式相近，都為木架柱體的彎曲變形、受壓側(cè)屈服破壞和榫卯節(jié)點處脫出，其脫出現(xiàn)象主要出現(xiàn)在左、右邊柱榫卯節(jié)點的卯口。表3列出了單調(diào)加載模式與循環(huán)加載模式下模型的榫卯節(jié)點最大脫出距離。表3結(jié)果表明：左、右邊柱的

榫卯節(jié)點脫出距離與節(jié)點加固件中阻尼材料硬度相關(guān)，在阻尼材料硬度逐漸提高時，榫卯脫出的最大距離逐漸減小。因此，節(jié)點裝配的耗能裝置阻尼填充材料的硬度提高對于榫卯節(jié)點抗脫出現(xiàn)象具有有效的限制作用。

圖4為榫卯木構(gòu)架單調(diào)加載下的應(yīng)力云圖。結(jié)果表明，柱腳粘接的阻尼材料隨著材料硬度的提高，柱腳受壓的最大應(yīng)力值逐漸減小，且受壓區(qū)域出現(xiàn)上移的現(xiàn)象，在達到鋼材硬度時柱腳受壓應(yīng)力值最小。圖5為右邊柱榫卯節(jié)點單調(diào)加載應(yīng)力云圖。結(jié)果表明，邊部梁柱榫卯節(jié)點在加固件阻尼材料硬度降低時，梁端上部受壓集中區(qū)域減小，下部受拉區(qū)域增大，且受拉、受壓最大應(yīng)力值向榫頭接口處內(nèi)部移動。圖6為中柱榫卯節(jié)點單調(diào)加載應(yīng)力云圖。結(jié)果表明，中部梁柱榫卯節(jié)點在阻尼材料硬度降低時，柱右側(cè)榫卯口受壓區(qū)域逐漸上移，柱體承受最大主應(yīng)力值增大，柱身承受應(yīng)力區(qū)域減少，破壞狀態(tài)逐漸向卯口與榫頭處移動，原榫卯木構(gòu)架結(jié)構(gòu)則是在榫卯節(jié)點處出現(xiàn)最大受壓應(yīng)力值，梁隨阻尼材料硬度降低，其上部逐漸出現(xiàn)受壓狀態(tài)，下部出現(xiàn)受拉狀態(tài)，榫頭上部出現(xiàn)受拉變形狀態(tài)。因此，提高阻尼材料的硬度可以使節(jié)點出現(xiàn)的塑性鉸狀態(tài)向外部移動，減少節(jié)點處榫頭與卯口的破壞。

3.2 單調(diào)加載荷載-位移曲線

根據(jù)荷載-位移曲線［圖7（a）］可以看出，耗能裝配節(jié)點阻尼填充材料的硬度影響節(jié)點的承載力與剛度，采用耗能裝配節(jié)點的榫卯木構(gòu)架加載初期荷載-位移曲線呈現(xiàn)出線性變化，在位移控制荷載加載至60 mm（1/50）前結(jié)構(gòu)基本處于彈性階段。GJ（全鋼耗能裝配節(jié)點）模型的承載能力最高，在達到峰值荷載后下降較為迅速;BM（橡膠耗能裝配節(jié)點）模型承載能力與其阻尼材料硬度有關(guān)，材料硬度越高其承載能力越高，并且后期承載能力下降段較GJ模型緩慢;SMJ（原榫卯節(jié)點）模型承載能力較低，初始

剛度較小，相比于采用加固方式的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)效力的發(fā)揮較小。與SMJ框架模型相對比，BM1、BM2、BM3及BM4模型屈服荷載分別提高了502.4％、404％、327％及246％，峰值荷載分別提高了493.6％、395.7％、320％及239.3％。相比SMJ模型，GJ模型的屈服荷載提高了703.1％，峰值荷載提高了685.7％；相比BM1模型，GJ模型的屈服荷載提高了33.3％，峰值荷載提高了32.4％。

圖7（b）中，在耗能裝配節(jié)點中橡膠材料硬度不變、豎向荷載增大的情況下，依據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標準（GB 50005—2017）》［21］ 4.3節(jié)中強度設(shè)計指標，中強度等級TC15組別B類花旗松木材順紋抗壓及承壓強度的設(shè)計值為12 N/mm2，計算出100 kN、200 kN、300 kN豎向荷載下軸壓比分別為0.21、0.42、0.63，可以看出節(jié)點前期在控制位移60 mm（1/50）時的彈性階段基本吻合，剛度基本相同。相比SJ1（0.21）模型，大軸壓比模型BM2（0.42）與SJ2（0.63）的峰值荷載明顯降低，分別降低了15.1％、25.1％，且二者都出現(xiàn)明顯的屈服下降段。總體來說，豎向荷載的增大會使結(jié)構(gòu)極限承載能力降低，屈服階段提前。

3.3 力學(xué)性能分析

計算延性系數(shù)的過程中，對于沒有明顯屈服點的荷載-位移曲線多采用能量等效法來確定屈服點。Δy為屈服點位移，F(xiàn)y為屈服荷載，極限荷載Fu以峰值荷載Fp的85％來確定，峰值荷載Fp對應(yīng)的Δp就是其峰值位移，其極限荷載Fu所對應(yīng)的就是極限位移Δu，延性系數(shù)μ=θuθy。

表4列出了依據(jù)能量等效法計算出的力學(xué)性能。從表中可以得出，耗能裝配節(jié)點剛度與其承載能力呈正比例關(guān)系。相關(guān)研究表明［22-23］，節(jié)點阻尼材料硬度提高可以提高其節(jié)點承載能力，增加柱底轉(zhuǎn)動約束能力，可限制柱體側(cè)傾與柱腳抬起。GJ模型的屈服荷載、峰值荷載、極限荷載、延性系數(shù)均是最大的，說明全鋼耗能裝配節(jié)點使得結(jié)構(gòu)整體承載性能得到了有效提高;BM模型中結(jié)構(gòu)整體的承載能力與橡膠材料的硬度相關(guān)，硬度大的阻尼材料能有效提高節(jié)點屈服荷載、峰值荷載、極限荷載，減小屈服位移，且延性系數(shù)會隨著阻尼材料硬度的提高而增大;SMJ結(jié)構(gòu)模型整體承載能力、延性系數(shù)相比前二者都較低，說明原榫卯木構(gòu)架承載能力較弱。其中GJ相比SMJ，延性系數(shù)提高了12.2％;與SMJ原榫卯木構(gòu)架模型相比，BM1、BM2、BM3、BM4裝配節(jié)點模型的延性系數(shù)分別提高了8.3％、8.3％、7.2％、2.2％。其次，橡膠耗能裝配節(jié)點中，在橡膠材料硬度不變的情況下，增大豎向荷載會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的屈服荷載、峰值荷載、延性系數(shù)降低，表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)承載能力的下降。

4 循環(huán)加載分析

4.1 滯回曲線

圖8為不同裝配模型的滯回曲線，其耗能裝配節(jié)點中阻尼材料的硬度對滯回曲線的飽滿度和形狀有著明顯影響。全鋼耗能裝配節(jié)點GJ模型滯回曲線較為飽滿，其耗能能力、承載力都較好，但在加載后期產(chǎn)生較大的殘余變形進行耗能;橡膠耗能裝配節(jié)點中阻尼材料硬度較小時，如BM3（51 HA）、BM4（30 HA）模型，滯回曲線出現(xiàn)了較為明顯的“捏縮”現(xiàn)象，這表明節(jié)點的阻尼材料硬度越小其剛度越小，對節(jié)點處的約束相對較弱，在荷載作用下節(jié)點易產(chǎn)生滑移現(xiàn)象;原榫卯木構(gòu)架SMJ模型滯回曲線呈現(xiàn)出旗幟型曲線，“捏縮”現(xiàn)象更加明顯，其耗能方式主要以摩擦耗能為主，耗能能力與承載能力較采用耗能裝配節(jié)點的模型略低。

4.2 骨架曲線

從骨架曲線（圖9）可以看出，耗能裝配節(jié)點的阻尼材料硬度影響著節(jié)點的承載力和剛度。GJ（全鋼耗能裝配節(jié)點）木構(gòu)架承載能力較強，剛度較大，加載前期剛度提升較快，屈服后承載能力衰減較快;BM（橡膠耗能裝配節(jié)點）木構(gòu)架通過提高節(jié)點橡膠材料的硬度明顯地提高其承載力和峰值荷載，橡膠硬度較大時其剛度相對較大，在屈服后階段，節(jié)點承載力出現(xiàn)明顯下降，但是下降速度較緩慢;SMJ（原榫卯）木構(gòu)架承載能力與剛度都較小。正方向加載，GJ的峰值荷載比SMJ提高了588.3％，BM1、BM2、BM3、BM4相比SMJ分別提高了405.5％、303.7％、255.3％、187.4％，GJ相比BM1提高了36.2％;負方向加載，GJ的峰值荷載比SMJ提高了591％，BM1、BM2、BM3、BM4相比SMJ分別提高了410.3％、300.3％、261.2％、192.4％，GJ相比BM1提高了35.4％。

4.3 剛度退化

采用割線剛度來評價該結(jié)構(gòu)的剛度退化情況，具體定義如下：

Ki=+Pi+-Pi+Δi+-Δi （2）

式中：Ki為割線剛度;+Pi、-Pi分別為第i級荷載下第1次循環(huán)的正、負向最大荷載;Δi為與Pi對應(yīng)的節(jié)點水平位移。

各模型剛度退化曲線見圖10。采用GJ模型的初始剛度最大，BM模型次之，SMJ模型最小。與SMJ模型相比，GJ模型初始剛度提高了585.6％，BM1、BM2、BM3、BM4模型初始剛度分別提高了369.4％、275％、238.9％、183.3％；GJ模型相比BM1模型初始剛度提高了44.9％。其中，GJ模型在荷載初期剛度退化相對平緩，在達到屈服后剛度衰減迅速;BM模型在不同橡膠硬度下其初期剛度有較為明顯的上升，后期剛度衰減較平穩(wěn)，剛度退化模式基本呈現(xiàn)出一致趨勢，但隨著橡膠硬度的提高其試件模型整體剛度也提高;原榫卯木構(gòu)架SMJ模型整體剛度較低，剛度退化趨勢較平緩。

4.4 等效黏滯阻尼系比

節(jié)點耗能能力是指節(jié)點在一個循環(huán)加載過程中吸收能量與卸載釋放能量的差值。本文采用等效黏滯阻尼系比he表示節(jié)點的耗能能力，用有限元模擬中的滯回曲線面積與理想狀態(tài)下彈性體滯回曲線所包含的面積除以2π來計算，見圖11。用式（3）的計算方法分別求出各加載循環(huán)級的黏滯阻尼比。

he=SABC+CPA2πSOBE+ODF （3）

由圖12（a）可以看出：各耗能裝配節(jié)點模型等效黏滯阻尼比均隨著加載位移的增大而逐漸增大。

GJ木構(gòu)架模型的耗能能力最佳，BM1、BM2、BM3、BM4木構(gòu)架模型在加載至70 mm（1/43）控制位移之后，隨著控制位移繼續(xù)增大，其等效黏滯阻尼比與橡膠硬度呈現(xiàn)正相關(guān)性;在控制位移達到100 mm（1/30）時，GJ對比SMJ等效黏滯阻尼比提升了123.5％，BM1、BM2、BM3、BM4對比SMJ模型，等效黏滯阻尼比分別提升了70.6％、41.2％、35.3％、29.4％，GJ對比BM1提升了31％。有研究［23］表明，在柱體搖擺體系下柱腳恢復(fù)彎矩隨豎向荷載的增加呈現(xiàn)出非線性增加的趨勢。從圖12（b）中可以看出，在耗能裝配節(jié)點填充阻尼材料硬度一定時，豎向荷載增大時，等效黏滯阻尼比有明顯提高，在控制

位移達到100 mm（1/30）時，SJ2模型相比SJ1與BM2，阻尼比分別提高了175.9％、24.7％，BM2相比SJ1阻尼比提高了121.3％。

5 結(jié)構(gòu)性能評價

為評價該框架結(jié)構(gòu)在不同地震水準下的性能目標，對框架結(jié)構(gòu)進行靜力非線性分析。依據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范（GB 50011—2010）》［24］中式（4）、（5）建立能力譜，式（6）、（7）建立需求譜曲線，對該框架結(jié)構(gòu)進行抗震性能評價。設(shè)計抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本加速度值分別為0.1g、0.15g、0.2g、0.3g及0.4g，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第二組，特征周期為0.4g。圖13（a）為木構(gòu)架推覆轉(zhuǎn)化的剪力與位移（V-D）能力譜曲線與需求譜曲線。其中SMJ能力曲線與需求譜曲線無交點，其在抗震性能上未達到目標要求。GJ全鋼耗能裝配節(jié)點框架在彈性階段與0.1g、0.15g、0.2g性能點分別交于結(jié)構(gòu)譜位移的20.96 mm、31.44 mm及41.63 mm;在0.3g時性能點處于屈服階段，相交于結(jié)構(gòu)譜位移的68.91 mm;在達到0.4g時結(jié)構(gòu)能力譜與需求譜未出現(xiàn)交點，說明其全鋼耗能裝配節(jié)點的榫卯木構(gòu)架結(jié)構(gòu)在抗震性能設(shè)計時具有較高的結(jié)構(gòu)安全性及足夠的抗震能力。橡膠耗能裝配節(jié)點的榫卯木構(gòu)架結(jié)構(gòu)在7度0.1g時4組不同硬度橡膠模型的性能點均處在彈性階段;在0.15g時性能點有BM1、BM2、BM3處在彈性階段，與結(jié)構(gòu)譜位移的交點分別為39.02 mm、43.5 mm、48.33 mm;在0.2g時性能點只有BM1處于彈性階段，相交于結(jié)構(gòu)譜位移的55.88 mm，說明采用耗能裝配節(jié)點的木構(gòu)架結(jié)構(gòu)在提高阻尼材料硬度時可以有效提高其結(jié)構(gòu)的抗震性能。

建筑的場地類別對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計有著重要的影響，因此，本文采用能力譜和需求譜對不同建筑在不同場地類別下木構(gòu)架模型的抗震性能進行了分析和評價。圖13（b）為各加固木構(gòu)架在7度0.15g抗震設(shè)計烈度中不同場地類別的能力譜與需求譜圖。可以看出，采用耗能裝配節(jié)點的木構(gòu)架在彈性階段均與二組Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ需求譜有交點，且除BM４在Ⅳ類場地類別中的性能出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的屈服階段，性能點交于結(jié)構(gòu)譜位移的73.1 mm外，其余耗能裝配節(jié)點榫卯木構(gòu)架模型在場地類別Ⅰ0、Ⅰ1、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ時性能點與結(jié)構(gòu)譜位移的交點均處在結(jié)構(gòu)的彈性階段，說明采用耗能裝配節(jié)點的木構(gòu)架在不同場地情況的抗震性能表現(xiàn)都較優(yōu)，而SMJ原榫卯木構(gòu)架能力曲線未與需求曲線相交，其抗震能力較差。以上結(jié)論表明該耗能裝配節(jié)點的榫卯木構(gòu)架結(jié)構(gòu)相比原榫卯木構(gòu)架結(jié)構(gòu)抗震性能的提高是比較明顯的。

能力譜加速度：

Sa=VGα1 "（4）

能力譜位移：

Sd=Dγ1Xtop，1 （5）

地震加速度最大值：

Sat=αtg （6）

需求譜位移：

Sdt=T2t4π2Sat （7）

有效質(zhì)量比：

α1=∑ni=1GiXi1g2∑ni=1Gig∑ni=1GiX2i1g （8）

陣型參與系數(shù)：

γ1=∑ni=1GiXi1g∑ni=1GiX2i1g （9）

式中：V為結(jié)構(gòu)基地剪力;G為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量;g為重力加速度;D為結(jié)構(gòu)頂層位移;Xi，1為基本振型在第i層的位移;αt為水平地震影響系數(shù)最大值;Tt為結(jié)構(gòu)自振周期。

6 結(jié)論

本文主要研究了不同耗能裝配節(jié)點的木構(gòu)架結(jié)構(gòu)的破壞特征、滯回曲線、骨架曲線、承載力及耗能能力的變化規(guī)律，采用能力譜曲線對木構(gòu)架結(jié)構(gòu)整體的抗震性能進行了探討和評估。主要得到以下結(jié)論：

（1） 在水平荷載作用下，榫卯木構(gòu)架主要破壞模式有：榫卯節(jié)點的脫出、柱體受壓、受拉狀態(tài)的彎曲變形破壞、柱腳受壓屈服變形破壞。采用耗能裝配節(jié)點的榫卯木構(gòu)架均能有效地限制榫卯節(jié)點的脫出量。當裝配耗能裝置的剛度提高時，木構(gòu)架榫卯節(jié)點出現(xiàn)的最大應(yīng)力區(qū)域逐漸向外部移動，榫頭與卯口的節(jié)點破壞逐漸向柱體與梁體轉(zhuǎn)移。從內(nèi)外節(jié)點變形和破壞情況來看，木結(jié)構(gòu)框架外部節(jié)點損傷和脫出相對比較嚴重，更應(yīng)該注重外部節(jié)點失效的控制。

（2） 相比原榫卯木構(gòu)架，安裝耗能裝置的框架結(jié)構(gòu)均能有效地提高結(jié)構(gòu)的承載力、剛度、耗能能力及延性。耗能裝置內(nèi)阻尼材料硬度逐漸增大，外部鋼材屈服耗能更加明顯，木構(gòu)架結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能提高最為明顯。采用全鋼加固木構(gòu)架提升效果最佳，承載能力提升了685.7％，橡膠耗能加固件91 HA橡膠材料次之，承載能力提升了502.4％。隨著加固件阻尼材料硬度的提高，其循環(huán)加載模式的滯回曲線越飽滿，捏縮效果減少，且結(jié)構(gòu)整體承載力、剛度、耗能、延性與阻尼加固件阻尼材料的硬度成正比關(guān)系。

（3） 豎向荷載對結(jié)構(gòu)節(jié)點的力學(xué)性能影響明顯。采用橡膠耗能裝配節(jié)點的榫卯木構(gòu)架，在阻尼材料橡膠硬度不變的情況下，豎向荷載增大會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力降低，結(jié)構(gòu)進入屈服狀態(tài)提前，但柱底摩擦力增大，柱腳恢復(fù)彎矩增加，耗能能力增強。

（4） 采用全鋼耗能裝配節(jié)點的木構(gòu)架結(jié)構(gòu)抗震性能最優(yōu)，均能夠滿足7度0.3g的抗震性能目標，而達不到7度0.4g的抗震性能目標，在7度0.1g、0.15g、0.2g時性能點均處于彈性階段，表現(xiàn)出較為優(yōu)異的抗震性能;橡膠耗能裝配節(jié)點的木構(gòu)架結(jié)構(gòu)抗震性能表現(xiàn)次之，當橡膠硬度達到91 HA，在7度0.3g時該性能點處于彈性階段，提高該橡膠耗能裝配節(jié)點阻尼材料硬度能夠使結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出更好的抗震性能;原榫卯木構(gòu)架與7度0.1g的抗震能力譜無交點，其抗震性能較差。

（5） 該耗能裝配方法可以顯著增強木構(gòu)架結(jié)構(gòu)節(jié)點的力學(xué)性能，提高木構(gòu)架整體的抗震性能。通過耗能裝配節(jié)點材料參數(shù)的調(diào)整可以改變裝配節(jié)點的剛度和耗能能力，有助于優(yōu)化木結(jié)構(gòu)抗震性能的控制設(shè)計。

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（本文編輯：張向紅）