正交胶合木楼板半层搭接节点抗弯性能研究

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近年来,随着我国建筑行业的快速发展,建筑结构形式日趋多元化。国家重点研发计划重点专项“绿色建筑及建筑工业化”的推进,也有力推动了木结构建筑的相关研究与工程应用。现代木结构建筑因其环保、节能等优点受到国内外广泛关注,并且涌现出了多种工程木产品,如正交胶合木(CLT)、层板胶合木(Glulam)、旋切板胶合木(LVL)以及平行木片胶合木(PSL)等,其良好的力学性能大大拓展了木结构的应用范围,有力推动了现代大跨木结构及高层木结构的发展与应用。正交胶合木(CLT)作为现代工程木结构产品之一,因其层板正交组坯的特点,目前常用于楼板及墙体的建造,而其中楼板或墙体面内连接节点的设计则是影响结构受力特性及使用的关键之一。目前国内外针对CLT楼板面内连接节点的研究多集中于抗剪和抗震性能等方面,而对其抗弯性能研究较少,CLT手册及NDS等规范中针对该类节点的设计尚无明确的理论计算公式。因此,本文选取其中应用较为普遍的半层搭接节点,拟对其抗弯性能开展相关试验及理论研究。本文以CLT楼板半层搭接节点为研究对象,先后开展了常温材性试验、弱轴受弯下半层搭接节点抗弯性能试验、强轴受弯下半层搭接节点抗弯性能试验,并以试验为研究基础,进行了有限元模拟及理论分析。研究内容主要分为以下几个部分:(1)总结了国内外学者和研究机构对CLT楼板及节点常温力学性能的研究现状,包括CLT楼板抗弯性能、CLT节点中自攻螺钉抗拔及抗剪性能、以及CLT楼板面内连接节点的工程应用背景等。(2)总结了常温下木材本构关系模型,并基于本课题组开发的木材VUMAT子程序介绍了在ABAQUS软件中木材本构的定义方法,同时对本文试验所用CLT及自攻螺钉分别开展了材料性能试验,为后续有限元分析和理论计算提供基础。(3)开展了6组共计18个CLT楼板半层搭接节点试件的抗弯性能试验,分别考虑了弱轴方向受弯和强轴方向受弯两种情况。其中,弱轴方向受弯下CLT楼板半层搭接节点抗弯性能试验共计3组,每组3个试件,考虑了搭接长度和螺钉间距(数目)等因素;强轴方向受弯下CLT楼板半层搭接节点抗弯性能试验共计3组,每组3个试件,考虑了螺钉直径和螺钉间距(数目)等因素。(4)基于ABAQUS软件平台分别对弱轴方向受弯和强轴方向受弯下CLT楼板半层搭接节点抗弯试验开展了数值模拟,并分别对半层搭接节点弱轴方向和强轴方向抗弯性能开展了参数分析,主要考虑了搭接长度、螺钉直径以及螺钉间距(数目)等因素。(5)结合本文试验和有限元结论,以及国内外相关研究成果,提出了基于刚体模型假定的半层搭接节点弱轴抗弯承载力简化计算方法,此外结合组合楼板理论对强轴方向受弯下半层搭接节点的抗剪连接件设计提出了简化计算方法,为工程应用提出建议。
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