重型木框架梁柱螺栓節(jié)點彎剪受力性能和變異性研究

課題研究了梁柱螺栓連接節(jié)點區(qū)域內(nèi)承受復雜應力的膠合木材料三維彈塑性損傷本構(gòu)模型的建立方法。課題采用Hill屈服準則和Voce模型描述木材的受壓硬化行為，根據(jù)Sandhaas提出的破壞準則和不同的損傷變量分別追蹤木材的受拉和受壓損傷演化過程。和實驗結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)：該模型能夠合理描述木材在順紋壓應力作用下的強度軟化、剛度退化和不可恢復變形，在一定程度上反映木材橫紋受壓非線性硬化行為，能準確地識別木材橫紋受拉和順紋受剪破壞模式。 課題開展了不同剪跨比梁柱螺栓連接節(jié)點承載力性能試驗，研究了剪彎比對梁柱螺栓連接節(jié)點破壞模式、破壞機理和承載力的影響規(guī)律。結(jié)果表明：隨著剪彎比的不斷增加，節(jié)點的抗彎承載力和延性比不斷降低。與純彎節(jié)點相比，在設計的剪力、剪彎比例荷載作用下彎剪節(jié)點的抗彎承載力和延性比的均值最大分別降低了31.7%和15.6%。 課題考慮木材材性和螺孔間隙的隨機分布規(guī)律，采用隨機有限元方法計算了膠合木梁柱螺栓連接節(jié)點初始剛度和抗彎承載力。結(jié)果表明，銷軸承壓區(qū)順紋和橫紋方向彈性模量對于節(jié)點初始剛度的方差具有十分顯著的影響，而螺栓孔隙對于節(jié)點初始剛度也具有一定的影響；木材橫紋抗拉強度和順紋抗剪強度對于節(jié)點抗彎承載力的方差具有顯著的影響，而螺栓孔隙也會在一定程度上影響節(jié)點的抗彎承載力。 此外，課題研究了碳纖維布包裹、自攻螺絲貫入和局部交叉膠合木等技術對于膠合木梁柱螺栓節(jié)點剛度和承載力的提升效應。結(jié)果表明，碳纖維布加固技術可有效提高節(jié)點極限承載力56.7%、極限變形和耗能能力。課題基于節(jié)點破壞機理，提出有效提升率指標α。結(jié)果表明，有效提升率α與節(jié)點極限承載力提高系數(shù)β呈良好的線性關系，根據(jù)有效提升率α可以評價不同加固方法的提升效率。 課題研究成果可用于指導膠合木結(jié)構(gòu)設計建造、既有結(jié)構(gòu)安全性評估和改造加固等工程應用，并可拓展相關結(jié)構(gòu)設計規(guī)范的應用范圍。

重型木結(jié)構(gòu)木可永久儲存碳，減少溫室氣體排放，且其構(gòu)件尺寸較大，具有高強、抗火和耐久等優(yōu)點。然而，重型木結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)冗余度較低，且有木結(jié)構(gòu)“強構(gòu)件弱節(jié)點”的共性，因而節(jié)點性能研究是熱點和難點。課題以重型木框架梁柱螺栓節(jié)點為研究對象，針對節(jié)點彎剪復合受力機制還未被充分認識的現(xiàn)狀和體系“強構(gòu)件弱節(jié)點”的特點，研究節(jié)點彎剪承載力及其變異性和性能提升方法。以純彎、純剪和彎剪復合加載實驗和精細化有限元數(shù)值模擬為手段，研究節(jié)點承載力和彎剪相關關系；以隨機有限元、方差分析和反應面方法揭示節(jié)點承載力概率分布規(guī)律，提出節(jié)點承載力取值方法；以采用自攻螺絲、交叉膠合木和碳纖維布纏繞等方法的節(jié)點試驗和數(shù)值模擬量化節(jié)點性能提升效應，建立定量分析和計算方法。研究工作可加深對節(jié)點受力性能的認識，建立基于概率的節(jié)點性能取值方法和定量的性能提升分析方法，改善重型木結(jié)構(gòu)節(jié)點和體系性能，提升我國重型木結(jié)構(gòu)的研究和工程應用水平。

課題在基金委資助下開展了膠合木梁柱螺栓節(jié)點彎剪單調(diào)和低周反復加載試驗和相關木材、自攻螺絲等材性試驗。試驗考慮了兩種膠合木制作方式、三種螺栓直徑、兩種螺栓邊距和兩種梁柱構(gòu)件寬度。試驗表明，膠合木梁柱螺栓節(jié)點在彎剪荷載作用下，在加載初期主要由木材橫紋承壓抵抗外部彎矩，當木材橫紋劈裂裂縫擴展至構(gòu)件端部后（位于節(jié)點區(qū)域內(nèi)）則裂縫兩側(cè)木材以懸臂梁機制抵抗外部彎矩直至懸臂梁端部發(fā)生彎曲破壞。 課題建立了考慮木材各向、拉壓異性的本構(gòu)特性以及螺栓－木材、木材－木材和木材－鋼板接觸性能的三維精細化有限元模型，試驗結(jié)果表明模型具有較好的計算精度。課題基于有限元模型進一步開展了考慮節(jié)點螺栓直徑、邊距以及螺栓孔隙影響的參數(shù)分析。研究結(jié)果表明：節(jié)點剛度和承載力隨螺栓直徑增大或邊距減小而提高，而節(jié)點延性和耗能隨之降低；螺孔孔隙的存在會導致節(jié)點彎矩－轉(zhuǎn)角曲線初始段剛度明顯降低，且低剛度段的范圍（長度）隨螺栓孔隙的增大而擴大。 在試驗和數(shù)值模擬的基礎上，課題考慮Ibarra帶有捏攏特征的滯回數(shù)學模型并采用非線性擬合方法得到了膠合木梁柱螺栓節(jié)點彎矩－轉(zhuǎn)角滯回關系模型參數(shù)，模型較好地體現(xiàn)了節(jié)點彎矩－轉(zhuǎn)角骨架曲線特征（包括初始剛度及非線性發(fā)展）以及多次循環(huán)加載間節(jié)點剛度和峰值荷載退化等特征。 此外，課題開展了采用自攻螺絲和交叉膠合木技術提升節(jié)點剛度和承載力的初步研究。研究表明，自攻螺絲和交叉膠合木技術可有效提高節(jié)點極限承載力（分別為80%和52％）、極限變形和耗能能力。 2100433B

無縫橋取消了伸縮裝置，使用性能好，維護費用少，是一種可持續(xù)性發(fā)展的橋梁，在我國正逐漸推廣應用。無縫橋橋臺及梁端節(jié)點受力復雜，是影響無縫橋全橋受力性能的關鍵。本項目提出一種適用于混凝土樁基橋臺無縫橋的半剛性節(jié)點。通過開展節(jié)點試驗研究和全橋振動臺陣試驗研究，并結(jié)合有限元進行拓展分析，研究采用半剛性節(jié)點的無縫橋受力性能。探明半剛性節(jié)點受力機理、傳力模式和滯回性能，提出半剛性節(jié)點剛度計算方法；掌握全橋地震響應特性、破壞模式、內(nèi)力分布規(guī)律與傳遞機制；提出采用半剛性節(jié)點進行橋梁無縫化改造計算方法和設計建議。本研究可為實際工程應用推廣奠定理論基礎，推動既有橋梁無縫化改造技術的進步，為無伸縮縫橋梁規(guī)范的制定提供參考與借鑒。項目對促進我國橋梁可持續(xù)發(fā)展具有重要的社會意義和應用價值。

膠合木結(jié)構(gòu)梁柱螺栓節(jié)點的動力性能對于膠合木結(jié)構(gòu)的抗震性能有重要影響，因此本課題主要研究膠合木梁柱螺栓節(jié)點在低周反復荷載作用下的破壞機理、破壞模式以及剛度和承載力的退化規(guī)律，并建立節(jié)點荷載－位移動力滯回模型。開展低周反復加載試驗研究節(jié)點破壞模式及剛度和承載力的退化規(guī)律，通過螺栓－木材擠壓試驗建立局壓作用下木材的應力應變滯回曲線。結(jié)合螺栓和螺孔周邊木材抗壓不抗拉的接觸特性建立精細化動力數(shù)值分析模型。經(jīng)試驗驗證后深入研究節(jié)點的破壞機理、破壞模式及剛度和承載力的退化規(guī)律，并開展參數(shù)分析研究節(jié)點形式、膠合木強度和螺栓直徑、布置方式和邊距對節(jié)點性能的影響趨勢?？紤]節(jié)點不同破壞模式，最終建立膠合木梁柱螺栓節(jié)點荷載-位移動力滯回模型，為膠合木結(jié)構(gòu)抗震設計和地震作用下的結(jié)構(gòu)倒塌分析提供理論基礎。課題成果可為相關規(guī)范編制提供科研支撐，有助于推廣膠合木木結(jié)構(gòu)應用，符合我國節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的建設理念。