燕尾榫古建筑論文范文

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1有限元模型

1.1節點模型建立文獻［1］試驗柱架尺寸:柱徑210mm，梁截面120mm×180mm，燕尾榫榫頭端部寬60mm，榫頭根部寬50mm。由于模型對稱，為節約計算資源，可取半結構建立精細化有限元模型。柱底和梁端分別通過與相應參考點耦合建立鉸支座約束，以梁端榫頭為從面，以柱端卯口為主面建立接觸對，接觸屬性設為法向硬接觸、切向庫倫摩擦，摩擦系數取0.2。計算單元采用計算精度較高的三維八節點六面體線性非協調單元C3D8I，運用結構化網格劃分技術，通過切分模型，在接觸區域附近細化網格。模型網格劃分如圖1所示。

1.2材料本構關系木材通常被認作正交各項異性材料，試驗采用的東北紅松［1］的材性試驗結果見表1，其中下標1、2、3分別代表木材的徑向、弦向和縱向。通過在Abaqus中賦予單元材料方向可以定義材料的正交各項異性。在彈性階段，木材的本構關系可以由表1中E1～G239個工程常數來決定。木材的塑性特性采用Hill準則模擬，參考屈服強度取木材順紋受壓強度34.76MPa，塑性發展考慮為理想彈塑性模型，根據木材各強度大小比值關系，計算出Hill準則的6個屈服應力比R11～R23，見表1。

1.3加載制度為考慮P－Δ效應的影響，采用柱端加載方案。通過建立在柱頂并與柱頂截面耦合的參考點施加水平和豎向荷載。豎向設計荷載為10kN，先于水平荷載施加在柱端，使榫卯接觸關系平穩建立起來。水平加載采用變幅值位移加載，初始值10mm，每級位移增量10mm，循環加載至最大位移幅值200mm，加載過程如圖2所示。計算過程中通過設置軟件中的Nlgeom開關為On來考慮幾何非線性。

2有限元計算結果分析

2.1破壞模式分析在豎向荷載和水平低周反復荷載作用下，榫頭逐漸從卯口中拔出，榫頭端部和卯口邊緣應力增大，相繼進入塑性發展。圖3為加載至最大位移幅值時卯口和榫頭的塑性發展分布，此時榫頭從卯口中拔出約20mm，節點承載力下降，可認定連接已經失效。

2.2剛度和延性分析通過梁端支座反力計算節點彎矩，通過分別柱端轉角和梁端轉角計算節點相對轉角，得到燕尾榫節點的彎矩－轉角(M－θ)滯回曲線如圖4所示。可見燕尾榫節點滯回曲線呈反Z形，表現出大量的滑移特征，滯回環面積逐漸擴大，反映出燕尾榫較強的耗能能力。連接燕尾榫節點M－θ滯回曲線每次加載循環的峰值點，得到其骨架曲線如圖5所示。從骨架曲線可以看出，燕尾榫節點經歷彈性階段、強化階段和屈服階段，彈性階段的初始剛度約為40kNgn/rad，可見燕尾榫節點相對鉸接節點而言，具有一定的抗彎剛度。

將骨架曲線上從彈性階段進入強化階段的臨界點作為屈服點，從強化階段到曲線進入下降段的臨界點作為極限點，得到節點主要特征參數的有限元計算結果和實驗結果對比如表2所示。由表2可見，由于在有限元計算中將木材簡化為理想彈塑性材料，且試驗時榫卯之間的間隙沒有在有限元模型中考慮，導致有限元結果較試驗值偏大，但二者在節點轉角的結果上吻合較好，說明利用有限元進行榫卯節點模擬試驗具有一定的可靠性和可行性，而為獲取更精確的數值分析結果則需考慮榫卯間的間隙并準確模擬木材的塑性發展和破壞準則。燕尾榫節點的極限轉角和延性系數分別達0.1rad和1.69，說明其具有較大的轉動能力，同時具有一定的延性。節點的極限彎矩為1.86kNgn，而榫頭的抵抗彎矩fmW=67.27×27000=18.16kNgn。可見燕尾榫節點是一種“弱節點”，其節點的抗彎承載力只有約構件截面抵抗彎矩的1/10。

3結論

1)運用通用非線性有限元分析軟件Abaqus建立了燕尾榫節點精細化有限元模型，通過與已有試驗結果對比，驗證了有限元模型的可靠性。2)燕尾榫節點是典型的半剛性節點，在水平力作用下，其薄弱部位在榫頭上下邊緣和卯口角部。3)燕尾榫節點的滯回曲線呈反Z形，具有較好的延性和耗能能力，其節點剛度變化一般要經歷彈性階段、強化階段和屈服階段。4)相對目前結構設計規范中“強節點弱構件”的要求，燕尾榫節點是一種“弱節點”，其節點抗彎承載力遠低于被連接構件的抗彎承載力。

作者：吳海兵單位：同濟大學建筑工程系