古建筑木結構燕尾榫節(jié)點剛度有限元分析

結構構件之間采用榫卯連接是中國古建筑木結構的一大特色。用于連接承重木構架梁柱構件的榫卯主要有：燕尾榫、箍頭榫、透榫和半榫等。其中燕尾榫因為榫頭端部寬、根部窄，具有良好的抗拔能力而被廣泛應用于柱頭與額枋的連接。由于榫卯連接是一種不同于鉸接和剛接的連接方式，其剛度特性引起了大批研究者的關注。
趙鴻鐵等參照《營造法式》中的做法制作了1:3.52的單間一榀燕尾榫縮尺木構架模型，研究了燕尾榫的半剛性連接特性和剛度退化規(guī)律，擬合出了榫卯節(jié)點彎矩-轉角的關系方程和恢復力模型。徐剛明等通過對5個按照清代《工程做法則例》的做法制作的燕尾榫節(jié)點模型在反復荷載作用下的試驗研究，發(fā)現(xiàn)木結構榫卯節(jié)點具有很好的變形能力，節(jié)點破壞形式為拔榫破壞。淳慶等通過對包含燕尾榫在內(nèi)的4種典型榫卯節(jié)點進行低周反復加載試驗，獲取了這4種典型榫卯節(jié)點在水平荷載作用下的破壞模式、滯回曲線、骨架曲線以及轉角剛度，并提出了考慮屈服下降段的三折線模型。
目前的研究方法多采用試驗研究，其不足之處是代價高，且數(shù)據(jù)的獲取不夠方便和精確。本文采用大型通用非線性有限元分析軟件Abaqus，結合文獻采用的試驗尺寸，建立燕尾榫節(jié)點的精細化有限元模型，研究燕尾榫節(jié)點的剛度特性和抗震性能。
文獻試驗柱架尺寸：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(jié)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(shù)取0.2。計算單元采用計算精度較高的三維八節(jié)點六面體線性非協(xié)調單元C3D8I，運用結構化網(wǎng)格劃分技術，通過切分模型，在接觸區(qū)域附近細化網(wǎng)格。
木材通常被認作正交各項異性材料，試驗采用的東北紅松的材性試驗結果。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E₁~G₂₃9個工程常數(shù)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(fā)展考慮為理想彈塑性模型，根據(jù)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。
為考慮P-∆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(wěn)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(huán)加載至最大位移幅值200mm。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。
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(fā)展。此時榫頭從卯口中拔出約20mm，節(jié)點承載力下降，可認定連接已經(jīng)失效。
通過梁端支座反力計算節(jié)點彎矩，通過分別柱端轉角和梁端轉角計算節(jié)點相對轉角，得到燕尾榫節(jié)點的彎矩-轉角(M-θ)滯回曲線�？梢娧辔查竟�(jié)點滯回曲線呈反Z形，表現(xiàn)出大量的滑移特征，滯回環(huán)面積逐漸擴大，反映出燕尾榫較強的耗能能力。

專業(yè)從事有限元分析公司│有限元分析│CAE分析│FEA分析│技術服務與解決方案
杭州那泰科技有限公司
本文出自杭州那泰科技有限公司xinfabz.com，轉載請注明出處和相關鏈接！