燕尾榫古建筑論文范文

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1有限元模型

1.1節(jié)點(diǎn)模型建立文獻(xiàn)［1］試驗(yàn)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(duì)稱，為節(jié)約計(jì)算資源，可取半結(jié)構(gòu)建立精細(xì)化有限元模型。柱底和梁端分別通過(guò)與相應(yīng)參考點(diǎn)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(duì)，接觸屬性設(shè)為法向硬接觸、切向庫(kù)倫摩擦，摩擦系數(shù)取0.2。計(jì)算單元采用計(jì)算精度較高的三維八節(jié)點(diǎn)六面體線性非協(xié)調(diào)單元C3D8I，運(yùn)用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，通過(guò)切分模型，在接觸區(qū)域附近細(xì)化網(wǎng)格。模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

1.2材料本構(gòu)關(guān)系木材通常被認(rèn)作正交各項(xiàng)異性材料，試驗(yàn)采用的東北紅松［1］的材性試驗(yàn)結(jié)果見表1，其中下標(biāo)1、2、3分別代表木材的徑向、弦向和縱向。通過(guò)在Abaqus中賦予單元材料方向可以定義材料的正交各項(xiàng)異性。在彈性階段，木材的本構(gòu)關(guān)系可以由表1中E1～G239個(gè)工程常數(shù)來(lái)決定。木材的塑性特性采用Hill準(zhǔn)則模擬，參考屈服強(qiáng)度取木材順紋受壓強(qiáng)度34.76MPa，塑性發(fā)展考慮為理想彈塑性模型，根據(jù)木材各強(qiáng)度大小比值關(guān)系，計(jì)算出Hill準(zhǔn)則的6個(gè)屈服應(yīng)力比R11～R23，見表1。

1.3加載制度為考慮P－Δ效應(yīng)的影響，采用柱端加載方案。通過(guò)建立在柱頂并與柱頂截面耦合的參考點(diǎn)施加水平和豎向荷載。豎向設(shè)計(jì)荷載為10kN，先于水平荷載施加在柱端，使榫卯接觸關(guān)系平穩(wěn)建立起來(lái)。水平加載采用變幅值位移加載，初始值10mm，每級(jí)位移增量10mm，循環(huán)加載至最大位移幅值200mm，加載過(guò)程如圖2所示。計(jì)算過(guò)程中通過(guò)設(shè)置軟件中的Nlgeom開關(guān)為On來(lái)考慮幾何非線性。

2有限元計(jì)算結(jié)果分析

2.1破壞模式分析在豎向荷載和水平低周反復(fù)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(yīng)力增大，相繼進(jìn)入塑性發(fā)展。圖3為加載至最大位移幅值時(shí)卯口和榫頭的塑性發(fā)展分布，此時(shí)榫頭從卯口中拔出約20mm，節(jié)點(diǎn)承載力下降，可認(rèn)定連接已經(jīng)失效。

2.2剛度和延性分析通過(guò)梁端支座反力計(jì)算節(jié)點(diǎn)彎矩，通過(guò)分別柱端轉(zhuǎn)角和梁端轉(zhuǎn)角計(jì)算節(jié)點(diǎn)相對(duì)轉(zhuǎn)角，得到燕尾榫節(jié)點(diǎn)的彎矩－轉(zhuǎn)角(M－θ)滯回曲線如圖4所示。可見燕尾榫節(jié)點(diǎn)滯回曲線呈反Z形，表現(xiàn)出大量的滑移特征，滯回環(huán)面積逐漸擴(kuò)大，反映出燕尾榫較強(qiáng)的耗能能力。連接燕尾榫節(jié)點(diǎn)M－θ滯回曲線每次加載循環(huán)的峰值點(diǎn)，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(jié)點(diǎn)經(jīng)歷彈性階段、強(qiáng)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(jié)點(diǎn)相對(duì)鉸接節(jié)點(diǎn)而言，具有一定的抗彎剛度。

將骨架曲線上從彈性階段進(jìn)入強(qiáng)化階段的臨界點(diǎn)作為屈服點(diǎn)，從強(qiáng)化階段到曲線進(jìn)入下降段的臨界點(diǎn)作為極限點(diǎn)，得到節(jié)點(diǎn)主要特征參數(shù)的有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示。由表2可見，由于在有限元計(jì)算中將木材簡(jiǎn)化為理想彈塑性材料，且試驗(yàn)時(shí)榫卯之間的間隙沒(méi)有在有限元模型中考慮，導(dǎo)致有限元結(jié)果較試驗(yàn)值偏大，但二者在節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角的結(jié)果上吻合較好，說(shuō)明利用有限元進(jìn)行榫卯節(jié)點(diǎn)模擬試驗(yàn)具有一定的可靠性和可行性，而為獲取更精確的數(shù)值分析結(jié)果則需考慮榫卯間的間隙并準(zhǔn)確模擬木材的塑性發(fā)展和破壞準(zhǔn)則。燕尾榫節(jié)點(diǎn)的極限轉(zhuǎn)角和延性系數(shù)分別達(dá)0.1rad和1.69，說(shuō)明其具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，同時(shí)具有一定的延性。節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)是一種“弱節(jié)點(diǎn)”，其節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力只有約構(gòu)件截面抵抗彎矩的1/10。

3結(jié)論

1)運(yùn)用通用非線性有限元分析軟件Abaqus建立了燕尾榫節(jié)點(diǎn)精細(xì)化有限元模型，通過(guò)與已有試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了有限元模型的可靠性。2)燕尾榫節(jié)點(diǎn)是典型的半剛性節(jié)點(diǎn)，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(jié)點(diǎn)的滯回曲線呈反Z形，具有較好的延性和耗能能力，其節(jié)點(diǎn)剛度變化一般要經(jīng)歷彈性階段、強(qiáng)化階段和屈服階段。4)相對(duì)目前結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”的要求，燕尾榫節(jié)點(diǎn)是一種“弱節(jié)點(diǎn)”，其節(jié)點(diǎn)抗彎承載力遠(yuǎn)低于被連接構(gòu)件的抗彎承載力。

作者：吳海兵單位：同濟(jì)大學(xué)建筑工程系