循环模拟地震波作用下木结构榫卯节点的力学响应机制

The wooden structure has a long history in China, however, tenon is the essence joints of Chinese ancient wooden building, the project in order to reveal the strain and stress variation under cycle simulation of seismic waves of tenon joint, the simulation of the amplitude and frequency of seismic wave, carry out material wooden tenon seismic research of Pinus sylvestris var. mongolica, Douglas fir, quantitative calculation and control of the wooden structure in the earthquake deformation and damage; at the same time through the simulation of cyclic loading on the seismic performance and seismic simulation model established has great theoretical value and practical significance of science. This project explains its seismic principle by simulating the cyclic loading mode of earthquake, and provides parametric and theoretical support for timber structure design through earthquake simulation.

木结构建筑在我国有着悠久的历史，然而榫卯节点是我国古代木结构建筑的精髓，本项目为了揭示循环模拟地震波作用下木结构榫卯节点的应变、应力变化规律，采用模拟地震波的振幅和频率，开展了以樟子松、花旗松为材料的木结构榫卯节点抗震性研究，定量计算与控制木结构建筑在地震中的变形及破坏量；同时通过循环加载的模拟方式对其抗震性能进行模拟并且建立抗震模型具有极大的科学理论价值和实际意义。本项目通过模拟地震的循环加载方式，解释其抗震原理，并且通过地震模型模拟，为木结构建筑设计提供参数和理论支撑。

我国传统木结构建筑在经历过多次的地震、台风等自然灾害后仍屹立至今，这主要因为木结构建筑采用了榫卯连接的梁柱木结构框架体系。由此可见，木结构建筑中的榫卯连接方式，使得其具备良好的抗震性能。研究不同的榫卯节点所承载的力学性能具有极其重要的研究意义。本研究选取了四种樟子松榫头（单向直榫、半榫、透榫、燕尾榫）形式的木构件，通过低周往复循环试验，探究了四种榫头木构件在有无雀替存在下的变形情况、刚度强度退化情况和耗能情况；了解各个榫卯节点类型的抗震性能及受力特点，并提出恢复力模型；并以应用较为广泛的燕尾榫为例，对其进行了受力分析与破坏分析，建立了有限元模型。结果发现：各个榫卯试件的刚度的变化趋势基本一致，均随着转角值的增加，呈现降低的趋势，在试验初期的下降速率最快。单向直榫节点的抗弯刚度要明显较好，说明榫头长度对节点的刚度影响显著。从刚度值角度与弯矩绝对值进行分析，雀替对四种榫卯节点贡献排序均为半榫＞燕尾榫＞透榫＞单向直榫。单向直榫节点与透榫节点雀替构件的存在对其木构件的储能能力并无显著影响，而半榫节点与燕尾榫节点当增加雀替构件后，其储能能力得到了显著提升。燕尾榫节点是一种剪力、弯矩和轴向力混合受力的榫卯节点，其破坏形态为榫侧压缩变形、榫颈折断、榫头剪断与卯口胀裂。还通过单向荷载试验，探究了木结构屋盖与墙体连接（RTWC）节点在单项荷载作用下的破坏形式以及荷载位移曲线，深入分析与比较樟子松、云杉、花旗松各组试件在单向荷载作用下的破坏机制，进而得到金属连接件对 RTWC 钉连接节点的力学性能的增强关系。结果发现：同种金属件连接下，试件的最大荷载、耗能能力表现出以下规律：花旗松组>云杉组>樟子松组。花旗松组较好的性能取决于其较强的握钉力，其余两组特征值大小主要取决于其加载过程中的破坏方式。该研究以期为未来木结构的设计与加固修缮，提供理论支撑和技术参数。