残损古建筑木结构不对称榫卯节点恢复力特性.pdf

第1 8卷 第1 0期2 0 2 3年1 0月中 国 科 技 论 文C H I N AS C I E N C E P A P E RV o l.1 8N o.1 0O c t.2 0 2 3残损古建筑木结构不对称榫卯节点恢复力特性兰英静1,董金爽2(1.青岛农业大学海都学院,山东莱阳2 6 5 2 0 0;2.海南大学土木建筑工程学院,海口5 7 0 2 2 8)摘 要:为研究残损古建筑木结构榫卯节点的恢复力特性,共设计了4个古木结构不对称榫卯结构,包括1个完好无残损的榫卯节点试件和3个不同残损程度的榫卯节点试件,分析低周反复荷载作用下试件的滞回特性,并通过分析试件刚度退化规律及滞回规则,提出了古木结构不对称榫卯节点的特征参数计算公式,建立了能够反映不同残损程度古建筑木结构榫卯节点真实受力状况的恢复力特征曲线。结果表明:不对称榫卯节点滞回曲线的形状随着残损程度的增加由S形向反Z形转变,捏缩效果逐渐显著;各试件骨架曲线的正向加载和反向加载显著不对称;恢复力特征曲线与试验结果拟合效果较好,表明所建恢复力模型具有一定的适应性,可用于残损古木结构节点的弹塑性分析。关键词:古建筑木结构;松动程度;透榫节点;滞回规则;恢复力模型中图分类号:T U 3 6 6.2 文献标志码:A文章编号:2 0 9 5 2 7 8 3(2 0 2 3)1 0 1 0 5 6 0 7开放科学(资源服务)标识码(O S I D):R e s t o r i n g f o r c e b e h a v i o r o f a s y m m e t r i cd a m a g e dm o r t i s e-t e n o n j o i n t so f a n c i e n tw o o d e nb u i l d i n g sL A NY i n g j i n g1,D O N GJ i n s h u a n g2(1.H a i d uC o l l e g e,Q i n g d a oA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y,L a i y a n g,S h a n d o n g2 6 5 2 0 0,C h i n a;2.C o l l e g e o fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e,H a i n a nU n i v e r s i t y,H a i k o u5 7 0 2 2 8,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d yt h er e s t o r i n gf o r c eb e h a v i o ro fd a m a g e dm o r t i s ea n dt e n o nj o i n t s i na n c i e n tw o o d e nb u i l d i n g s,f o u rm o r t i s e-t e n o n j o i n t sw e r ed e s i g n e d i n t h e p r e s e n tw o r k,i n c l u d i n g t h r e e t h r o u g h-t e n o n j o i n t sw i t hd i f f e r e n t l e v e l s d a m a g e a n do n et h r o u g h-t e n o n j o i n t sw i t h o u t d a m a g e.T h em o m e n t-r o t a t i o nh y s t e r e t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h em o r t i s e a n d t e n o n j o i n t sw a s a n a l y z e du n d e r l o wc y c l i c r e v e r s e d l o a d i n g t e s t.T h r o u g h t h e a n a l y s i s o f t h e s t i f f n e s sd e g r a d a t i o n l a wa n dh y s t e r e s i s r u l e s,t h e f o r m u l ao ft h e c h a r a c t e r i s t i cc o e f f i c i e n tf o rt h ea n c i e n tw o o d e nb u i l d i n g sa s y m m e t r i cm o r t i s e-t e n o nj o i n t sw a sp r o p o s e d.A n dt h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c c u r v eo fr e s t o r i n gf o r c eo fa s y m m e t r i cm o r t i s e-t e n o nj o i n t si na n c i e n tw o o d e nb u i l d i n g sw h i c hi n d i c a t e di t sr e a ls t r e s ss t a t ew a s s e t u p.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h e s h a p e o f t h e h y s t e r e t i c c u r v e o f t h e j o i n t s c h a n g e s f r o m“S”s h a p e t ot h e r e v e r s e“Z”s h a p ew i t h t h e i n c r e a s e o f t h e d a m a g e d l e v e l,a n d t h a t t h e p i n c h i n g e f f e c t g e t s g r a d u a l l y s i g n i f i c a n t.T h e s k e l e t o nc u r v e so f t h o u g h-m o r t i s e j o i n t se x h i b i ts i g n i f i c a n ta s y m m e t r yi nf o r w a r da n dr e v e r s el o a d i n g.C o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n t sr e s u l t s,t h er e s t o r i n gf o r c ec h a r a c t e r i s t i cc u r v ef i t sb e t t e r.T h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tt h ee s t a b l i s h e dr e s t o r i n g f o r c ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e sf i tw e l l,i n d i c a t i n gac e r t a i nd e g r e eo fa d a p t a b i l i t yo ft h er e s t o r i n gf o r c ec h a r a c t e r i s t i cc u r v e.K e y w o r d s:a n c i e n tw o o d e nb u i l d i n g s;d e g r e eo f l o o s e n e s s;t h r o u g h-t e n o n j o i n t s;h y s t e r e s i s r u l e;r e s t o r i n g f o r c em o d e l收稿日期:2 0 2 3-0 4-0 1基金项目:海南省自然科学基金资助项目(5 2 0 R C 5 4 4);山东省本科高校教学改革研究项目(M 2 0 2 2 1 7 3)第一作者:兰英静(1 9 8 7),女,副教授,主要研究方向为钢-木组合结构抗震性能通信作者:董金爽,讲师,主要研究方向为钢-混凝土组合结构及古木建筑抗震性能,m l c x l l 1 6 3.c o m 采用枓栱及榫卯连接是中国古建筑木结构显著的营造特点1-3。由于木材耐久性差,外界环境(雨雪侵蚀、微生物腐蚀等)及自身缺陷(木节、糟朽开裂等)对其影响较大,现存古建筑木结构多数处于结构体系破坏、多种病害缠身、险情不断发展甚至潜伏坍塌的危险状态,结构整体健康状态不佳,常见的木结构残损类型有节点拔榫、构件缺失、榫卯节点糟朽等4-5,其中榫卯连接处糟朽导致榫头有效受力截面削弱是较为典型的一种残损类型。现有研究成果多针对完好榫卯节点。杨庆山6、武国芳等7基于古木结构特殊的营造特点,对古木结构中常见榫卯节点类型的力学性能进行了总结;匡妍艺8针对古木结构常见榫卯节点,拟合出了节点刚度退化曲线;陆伟东等9基于试验结果给出了考虑局压效应的直榫节点力学模型;孙国军等1 0根据 工程做法则例,完成了复合榫卯节点的拟静力试验,分析了其滞回性能,并提出了相应的恢复力模型。当前,对于残损榫卯节点力学性能的相关研究,多采用削减榫头或普拍枋的形式人工模拟生物劣化。Y a n g等1 1、C h a n g等1 2-1 3研究了残损对榫卯节点刚度的影响;G u a n等1 4-1 5、张锡成等1 6分别推导了残损榫卯节点的弯矩-转角关系式;薛建阳等1 7、谢启芳等1 8基于试验结果得出残损燕尾 第1 0期兰英静,等:残损古建筑木结构不对称榫卯节点恢复力特性榫节点的抗弯刚度与完好节点相比显著降低;赵鸿铁等1 9、隋等2 0基于古木结构中常见燕尾榫的试验研究,建立了其恢复力模型。而对于存在残损的古木结构榫卯节点恢复力特性的相关研究当前还未见报道。鉴于此,为研究残损古木结构榫卯节点的恢复力特性,选择古木结构中典型的榫卯节点,对其进行低周反复荷载试验,获取其滞回曲线,分析其滞回特性、刚度退化规律及滞回规则,建立古木结构残损榫卯节点的恢复力模型,以期为该领域的后续研究奠定理论基础。1 试验概况1.1 模型设计与制作选取古木结构常用的透榫节点为研究对象,残损类型选取榫卯节点中常见的节点松动。依据宋代 营造法式 中透榫节点材份制的基本要求,采用缩尺比为1 3.2,共设计4个古木结构透榫节点试验试件,包括1个榫头与卯口连接完好无松动的节点试件和3个榫头与卯口连接有不同松动程度的节点试件。各试件设计轴压比为0.5。残损采用常用的削减榫头尺寸而保持卯口尺寸不变的方式模拟,榫卯节点基本构造如图1所示。图1 古木结构透榫节点示意图及试件基本尺寸F i g.1 S c h e m a t i cd i a g r a ma n db a s i c s t r u c t u r e s i z eo f t h o r o u g h-m o r t i s e j o i n t s 透榫节点构造形式为非对称形态,又称为大进小出榫。模拟节点松动时需同时对榫头截面高度(包括榫头和榫头)进行削减。定义松动程度为榫头和榫头削减尺寸与完好榫头尺寸的比值。各试件残损情况见表1。表1 各试件榫头削减尺寸及松动程度T a b l e 1 R e d u c e ds i z eo fm o r t i s e a n d l o o s e n e s s l e v e l o ft h o r o u g h-m o r t i s e j o i n t试件编号榫头削减尺寸/m m削减后榫头尺寸/m m削减后榫头尺寸/m m松动程度(D)/%D J-102 4 01 2 00D J-21 22 2 81 0 85.0D J-32 42 1 69 61 0.0D J-43 62 0 48 41 5.01.2 加载方案试验加载装置如图2所示。为消除二阶效应的影响,将柱横置于地梁之上,梁竖向放置,采用在梁端施控制位移的加载制度。根据数值模拟结果及古建筑木结构加固规范中不发生倒塌的极限位移限值2 1,综合确定试件加载的极限控制位移u=1 0 0mm。加载全过程分为2个步骤:1)在柱端首先施加轴向荷载至设计轴压比,并确保轴压比在试验试件加载全过程中保持恒定;2)在步骤1)的基础上,采用MT S加载设备于梁端加载位置施加水平低周往复荷载。正式加载阶段:加载前期,位移增加级差为极限 位移的1 0%(1 0mm),加载至极限位移的5 0%7501中 国 科 技 论 文第1 8卷 图2 试验加载装置F i g.2 T e s t l o a d i n gd e v i c e(5 0mm),该阶段每级位移循环1次;之后将每级控制位移的增量改为极限位移的2 0%,且每级控制位移均循环3次,直至试验试件破坏停止加载。1.3 主要试验结果1.3.1 M-滞回曲线试验获得的各试件弯矩-弯角(M-)滞回曲线如图3所示。分析可知:1)榫头与卯口连接完好无残损的试件D J-1的滞回曲线形状基本呈S形,而松动程度最大的节点试件D J-4的滞回曲线形状呈反Z形,捏缩滑移效应图3 各试件滞回曲线F i g.3 H y s t e r e t i c c u r v e so f a l l s p e c i m e n s较显著,其他试件滞回曲线形状及捏缩效果介于两者之间,表明松动程度对榫卯节点滞回曲线的形状具有较大影响。2)与完好节点相比,松动节点在榫头与卯口挤压紧密前有一定的滑移量,且随残损程度的增加,滑移量逐渐增大。节点试件为大进小出榫头,构造形式为非对称形态,导致各试件滞回曲线在正向加载及负向加载时表现为不同的滞回特性。正向加载时,各试件滞回曲线饱满度较好,试件因榫头产生一定的弹塑性及塑性变形而具有较好的耗能能力;反向加载时榫头受力性能与正向加载不同,试件滞回曲线包围的面积及峰值弯矩有一定的降低。1.3.2 M-骨架曲线各试件骨架曲线如图4所示。分析可知:1)由于透榫为非对称榫卯节点,榫头为变截面,使得各试验试件的骨架曲线在正反向加载时明显不对称,表明透榫节点在正向受推和反向受拉时力学性能有一定差异。图4 各试件骨架曲线F i g.4 S k e l e t o nc u r v e so f a l l s p e c i m e n s2)整体上,完好无残损透榫节点骨架曲线的刚度高于有残损的节点,且残损程度越大,刚度降低现象越明显;残损节点的松动程度直接影响榫头受力前的滑移量;当榫头与卯口接触压实后,受力特点与完好节点类似。3)残损节点试件的极限弯矩在正向受荷时与完8501 第1 0期兰英静,等:残损古建筑木结构不对称榫卯节点恢复力特性好无残损节点相差较小,而反向加载时差别较大;随着残损程度的逐渐增加,极限弯矩所对应的极限转角逐渐增大。这表明松动榫卯节点在产生抵抗外界荷载的抗力前,有一定的转动和滑移,若节点残损较严重,在节点形成抵抗外界作用前而变形较大,则结构极易发生倒塌。2 恢复力模型建立恢复力模型作为准确研究结构在地震作用下弹塑性动力反应的基础,若直接通过试验得到,通常由于形式一般较为复杂而难以用于结构抗震分析。因此,针对残损榫卯节点,需建立一种基于实际试验结果且较为实用的恢复力模型。2.1 基本假定基于不对称透榫节点的滞回特性,结合木结构营造特点、木材力学特性及便于实际应用,采取以下基本假定:1)骨架曲线采用三折线形式。2)试件屈服前,各控制点的加载刚度与卸载刚度相等;各控制点卸载刚度在试件屈服后按水平控制位移的变化逐步减小2 2。3)试件屈服前,加载和卸载总是沿着原弹性加载路径;屈服后,后一圈的循环加载点或卸载点均指向前一圈加载循环过程中的最大位移点。2.2 骨架曲线模型为建立统一的恢复力模型,对骨架曲线进行无量纲化处理,以峰值弯矩(Mu)及其对应的转角(u)为基准点,即用M/Mu、/u进行处理,“+”表示正向,“-”表示反向。试验拟合骨架模型曲线如图5所示,其中点AF坐标由表2中4个透榫节点骨架曲线特征点的平均值给出。结合图5中各试件刚度值及表2中各透榫节点特征荷载,拟合得出骨架曲线模型三折线的函数表达式:图5 试验拟合骨架模型曲线F i g.5 T e s t f i t t i n gc u r v e s k e l e t o nm o d e l o f j o i n t sO A段,y=1.1 2x,0 x 0.6 9;(1)A B段,y=0.7 2x+0.2 8,0.6 9 x 1.0 0;(2)B C段,y=-5.0 0 x+6.0 0,1.0 0 x 1.1 0;(3)O D段,y=1.1 0 x,-0.6 5 x 0;(4)D E段,y=0.8 1x+0.1 9,-1.0 0 x-0.6 5;(5)E F段,y=-3.3 3x-4.3 3,-1.1 5 x-1.0 0。(6)式中:x=/u;y=M/Mu。表2 各透榫节点骨架曲线特征点试验实测值T a b l e 2 E x p e r i m e n t a l v a l u e so f c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f s k e l e t o nc u r v e s f o r t h o r o u g h-m o r t i s e j o i n t试件编号加载方向屈服峰值My/(k Nm)y/r a dMu/(k Nm)u/r a dD J-1正向2.7 80.0 83.4 30.1 2反向2.0 40.0 62.4 50.1 0D J-2正向2.9 70.1 03.3 30.1 4反向1.5 90.0 82.2 90.1 2D J-3正向2.3 40.1 23.1 70.1 8反向1.2 40.1 01.9 50.1 4D J-4正向2.5 50.1 43.1 40.1 9反向1.2 00.1 41.3 20.1 82.3 刚度退化规律反复荷载作用下,梁以节点为圆心产生转动。卸载过程中,梁由于作动器的拉力作用而逐渐恢复至初始状态,因此,此过程中节点本身不提供恢复力2 3,可认为其为0。开始卸载时,水平拉力小于推力,随着作动器的回缩,节点的水平变形逐渐减小;试件从开始卸载到恢复至加载初始状态的过程中,梁端的水平位移逐渐减小,作动器的拉力小于梁的推力,使得滞回曲线呈现显著的捏拢现象,呈典型的滑移型Z形恢复力模型2 4。对于梁的卸载刚度,实际上是梁的拉回刚度。通过分析可知,梁的水平变形越大,则梁就越不易复位至初始状态,需要更大的拉力。因此,梁从开始卸载到恢复至初始状态过程中的卸载刚度与梁端的水平位移直接相关。表3给出了各试件屈服后各加载循环过程中的卸载刚度,透榫节点加载各阶段的卸载刚度如图6所示。通过对表3数据进行拟合,得到各试件正向及负向卸载刚度的数学函数关系式:正向刚度,K正=al n(3.0 3 1-0.0 1 3x)。(7)式中:x为正向水平位移,mm;a为与松动程度(D)相关的系数,表达式为a=8.0 0D2-2.1 0D+0.2 4。负向刚度,K负=b2.7 7 8-0.4 9 7 l n(x+1 5)。(8)式中:x为负向水平位移,mm;b为与松动程度(D)相关的系数,表达式为b=5.4 5D2-1.8 2D+0.1 9。2.4 恢复力模型描述基于不同松动程度的古木结构透榫节点试验数据,将各试件骨架曲线模型、卸载刚度退化规律及滑移水平段进行整合,建立不同残损程度下古木结构透榫节点三折线恢复力模型,如图7所示。9501中 国 科 技 论 文第1 8卷 表3 试件屈服后各加载循环过程中的卸载刚度值T a b l e 3 U n l o a d i n gs t i f f n e s sv a l u e s a f t e r y i e l d i n go f j o i n t sk N/m加载阶段D J-1D J-2D J-3D J-4正向负向正向负向正向负向正向负向屈服后第1圈0.2 3 00.1 6 10.2 3 80.2 0 20.1 4 70.0 6 40.1 1 40.0 4 2屈服后第2圈0.2 1 80.1 2 30.2 0 70.1 1 90.1 4 40.0 6 00.1 0 80.0 3 9屈服后第3圈0.1 9 90.1 0 20.2 0 30.1 1 40.1 4 20.0 5 90.1 0 40.0 3 4屈服后第4圈0.1 8 20.0 3 70.2 0 20.1 0 80.1 3 90.0 5 70.1 0 30.0 2 7屈服后第5圈0.0 9 20.0 3 00.0 3 80.0 4 00.1 3 80.0 4 90.0 8 70.0 2 7屈服后第6圈0.1 1 00.0 4 60.0 7 20.0 2 4屈服后第7圈0.0 9 70.0 2 90.0 6 50.0 2 3屈服后第8圈0.0 6 30.0 1 7图6 透榫节点加载及卸载刚度示意图F i g.6 T h o r o u g h-t e n o n j o i n t s l o a d i n ga n du n l o a d i n gs t i f f n e s s图7 透榫节点恢复力特征曲线路径发展示意图F i g.7 D e v e l o p m e n t r o a d m a po f r e s t o r i n g f o r c ec h a r a c t e r i s t i c c u r v e f o r t h o r o u g h-t e n o n j o i n t s 整个过程可描述如下:1)恢复力特征曲线模型是根据试验获得的相关数据并结合骨架曲线形式特点所建立的;图7中的点A和点G分别为透榫节点正向及反向屈服点,点C和点I为透榫节点试件峰值点。2)在残损古木结构透榫节点正向加载过程中,恢复力模型的发展路径沿O A B C进行。当正向加载至本级水平控制位移时开始卸载,若节点试件未达到屈服(即未超过点A),则卸载路径沿着加载路径O A反向进行,即基本假定2)所述,各控制点的加载刚度值与卸载刚度值保持相等;若节点试件卸载在屈服点B后(即超过点A),则卸载路径沿B E发展,此时透榫节点卸载刚度根据式(7)确定。3)当透榫节点卸载至点1时,试件产生滑移变形,滑移量为O1段长度。试件开始向反向加载,加载路径沿着1E F发展。当透榫节点恢复至初始状态(即点F)后,开始反向加载,若试件负向达到了屈服(即达到点G),则加载路径指向上一次加载过程中最大的反向水平控制位移点H,即负向加载沿路径FH I方向发展。4)当负向加载至本级水平控制位移时开始卸载,负向卸载沿路径H J发展,此时透榫节点的卸载刚度根据式(8)确定。同样的,负向卸载完成后存在一定的滑移量,其值为J P段长度。5)进行后一次加载循环过程时,加载路径则指向前一次加载过程中对应的最大水平控制位移B或H,加载路径沿着P B C或FH I进行;卸载试件从峰值点C或I开始,分别按式(7)、式(8)计算卸载刚度,沿C D或I4卸载路径卸载。其他情况依次类推。3 恢复力特征曲线与试验结果的对比试验与理论对比结果如图8所示。从滞回曲线的形态及滞回环的发展趋势可以看出,两者吻合度较好,说明建立的恢复力模型可较好地反映不同残损程度的古木结构透榫节点在低周反复荷载作用下的滞回性能,所得结果可为残损古木结构的弹塑性及塑性整体性能动力分析提供一定的参考。4 结 论1)随着松动程度的增大,透榫节点滞回曲线从S形向反Z形逐渐过渡,捏缩效应逐渐显著,节点滑移量逐渐增大,滞回环包围的面积逐渐减小;正向与负向滞回特性差异显著。节点松动对古木结构力学性能影响较大。2)松动节点的极限弯矩小于完好节点,而极限转角大于完好节点;随松动程度的增大,节点刚度降低显著;骨架曲线正负向差异明显,各试件正向极限弯矩大致相等,负向极限弯矩随着松动程度的增大而明显降低。3)依据试验数据,提出了松动榫卯节点无量纲化的三折线骨架曲线模型及各阶段数学表达式,给出了松动节点的刚度退化规律。4)拟合得出了考虑不同松动程度透榫节点的卸0601 第1 0期兰英静,等:残损古建筑木结构不对称榫卯节点恢复力特性图8 各试件理论模型与试验结果的对比F i g.8 C o m p a r i s o no f t h e r e s u l t s f r o mt h e o r e t i c a lm o d e l a n de x p e r i m e n t f o r d i f f e r e n t j o i t n s载刚度公式;提出了考虑刚度退化的松动榫卯节点恢复力模型特征曲线,结果显示,理论结果与试验结果吻合较好。(由于印刷关系,查阅本文电子版请登录:h t t p:w w w.p a p e r.e d u.c n/j o u r n a l/z g k j l w.s h t m l)参考文献(R e f e r e n c e s)1 薛建阳,白福玉,张锡成,等.古建筑木结构地震损伤分析及抗侧刚度识别J.湖南大学学报(自然科学版),2 0 1 9,4 6(1):5 5-6 4.X U EJY,B A I FY,Z HA N GXC,e t a l.S e i s m i c d a m-a g ea n a l y s i s a n d l a t e r a ls t i f f n e s si d e n t i f i c a t i o n f o ra n c i e n tw o o d e ns t r u c t u r e sJ.J o u r n a l o fH u n a nU n i-v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e s),2 0 1 9,4 6(1):5 5-6 4.(i nC h i n e s e)2 潘毅,安仁兵,王晓玥,等.古建筑木结构透榫节点力学模型研究J.土木工程学报,2 0 2 0,5 3(4):6 1-7 0,8 2.P A NY,A NRB,WA N GXY,e ta l.S t u d yo nm e-c h a n i c a lm o d e l o f t h r o u g h-t e n o n j o i n t s i na n c i e n t t i m b e rs t r u c t u r e sJ.C h i n aC i v i lE n g i n e e r i n gJ o u r n a l,2 0 2 0,5 3(4):6 1-7 0,8 2.(i nC h i n e s e)3 张锡成.中国木结构古建筑的概念设计思想及抗滑移倒塌性能研究D.西安:西安建筑科技大学,2 0 1 0:2 4-2 6.Z HA N GXC.S t u d y o n c o n c e p t u a l d e s i g n i d e a a n d a n t i-s l i d i n gc o l l a p s e p e r f o r m a n c e o f a n c i e n tw 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