古建木结构柱脚节点抗震性能及刚度研究——以鼓镜柱础为例

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柱础节点属于我国古建筑的典型构造特征,节点的滑移转动关系着古建筑木结构整体的结构安全。但目前对于平摆浮搁式、管脚榫、套顶榫三种典型柱脚节点的力学性能与抗震性能没有明确的判断,在数值模拟中刚度的取值没有差别。因此,本文在调研柱础形式的基础上,以清代三种典型柱脚节点为研究对象,对其开展缩比尺模型试验、力学机理、有限元数值模拟等研究。为研究不同柱础节点力学性能与抗震性能,基于三种柱础形式1:3.2的缩比尺模型,在竖向荷载保持一定下进行水平静力试验与水平拟静力试验。水平静力试验得到相应柱础木柱轴线夹角变化、水平位移-荷载曲线、抗侧刚度、破坏形式等性能。结果表明:在加载过程中木柱基本没有滑移,柱础节点的破坏形式均为木柱倾覆破坏;榫头与卯口间挤压严重,有部分木材纤维翘起。在水平拟静力试验中,得出不同柱脚节点的抗震性能参数。结果表明:柱础节点滞回环形状均呈现反Z形,当水平位移增大的时候,滞回曲线面积也在增加;平摆浮搁式柱础节点表现出优于其他两种形式的耗能能力,管脚榫柱础其次;套顶榫柱础节点表现出抗侧刚度最强,平摆浮搁式柱础稍弱。为研究柱础节点连接的受力机理,基于不同形式柱础节点试验结果的分析,结合木材材性试验得出木材顺纹、横纹径向二折线本构模型,划分出柱脚节点受力状态,得到对应工作状态的临界值,建立相应状态下木柱水平抗侧力、水平位移、竖向荷载以及几何关系等参数之间的力学模型。为研究不同柱脚节点柱脚底部受力细致情况,综合考虑木材材性、边界条件以及接触模型设置,基于ABAQUS软件对不同柱脚节点进行水平静力非线性有限元模拟,并将位移-荷载曲线结果与试验结果进行对比,结果显示二者吻合,在此基础上,研究柱底应力应变分布得到不同柱础受力阶段以及对应特征。并对管脚榫进行榫头半径、摩擦系数、顺纹抗压强度等静力加载参数分析,结果表明:榫头半径影响较大,其他因素影响较小,增大榫头直径会降低水平极限承载力,而增大榫头半径、摩擦系数、顺纹抗压强度,倾覆位移会随之增大。
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