传统木结构民居不同柱脚节点形式对其抗侧力性能影响研究

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我国的城镇及农村地区分布着大量的传统木结构民居,其有一共同的构造特点——木柱柱根浮搁于础石之上,即平摆浮搁式柱脚节点。针对这一柱脚节点,国内外学者开展了深入的研究,成果表明其具有良好的摩擦滑移与摇摆转动的耗能特性。但是,大量的震害调查资料表明,采用该种柱脚节点形式的木结构民居,常常在地震荷载作用下出现柱根超限滑移的破坏特征,严重时引起结构发生倒塌破坏。因此,对这一柱脚节点开展限位加固的研究就显得尤为迫切。本文以传统穿斗式木结构民居为基础,针对多种柱脚节点形式开展相关研究,利用模型试验、数值模拟等方式,探究针对传统的柱脚节点进行限位加固的可行性,并比选出性能较优的柱脚节点加固形式,确定其各项工程设计参数的合理取值范围,为后续的工程实践打下理论基础。具体如下:(1)针对采用平摆浮搁式、圆套管支座与圆环肋板支座等三种柱脚节点形式的缩尺单榀木构架试件,开展了单调推覆试验,对试验结果进行分析发现:对传统的平摆浮搁式柱脚节点进行限位加固之后,能够在保持木构架良好变形性能的基础之上,极大地提升木构架的承载能力,验证了这一理论研究方向的可行性。(2)针对采用平摆浮搁式、圆套管支座、圆环肋板支座、管脚榫与套顶榫等五种不同柱脚节点形式的缩尺单榀木构架试件,开展了低周往复荷载试验,对试验结果进行分析发现:分别采用圆套管支座与套顶榫柱脚节点形式的木构架,其极限承载力均有将近两倍以上的提升,变形性能良好,强度退化不明显,承载能力更加稳定,同时试件的环线刚度也有一定程度的提升,表明这两种柱脚节点形式对木构架抗侧力性能的提升较大,但考虑到套顶榫节点在荷载作用下,其与木柱柱根连接处容易发生轻微断裂,耐久性与安全性不足,建议未来工程实践中采用圆套管支座柱脚节点形式。(3)运用ABAQUS有限元软件,建立不同柱脚节点形式的木构架三维实体模型,对其进行模拟加载,并将分析结果与试验结果进行比对,验证了模型的合理性,最后针对性能较好的圆套管支座节点开展不同工程设计参数的参数化建模分析,结果表明:圆套管半径r与高度H的变化,对木构架抗侧力性能的影响较大,是工程设计中的关键参数,二者的合理取值范围分别为一倍木柱半径<半径r≤一倍木柱半径+5mm、一倍木柱直径D<高度H≤二倍木柱直径D;此外,柱顶轴力N对木构架抗侧力性能的提升效果不显著,属于非关键设计参数;最后,对于钢材型号选用及圆套管厚度T的选取,出于对安全性和耐久性的考虑,在工程实践中建议钢材型号选取Q345及以上,圆套管厚度T选取3mm及以上。
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