重型木框架梁柱螺栓節(jié)點彎剪受力性能和變異性研究中文摘要

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(fù)合受力機制還未被充分認(rèn)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(fù)合加載實驗和精細(xì)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(guān)關(guān)系；以隨機有限元、方差分析和反應(yīng)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(yīng)，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(rèn)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(yīng)用水平。

課題研究了梁柱螺栓連接節(jié)點區(qū)域內(nèi)承受復(fù)雜應(yīng)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(zhǔn)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(zhǔn)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(yīng)力作用下的強度軟化、剛度退化和不可恢復(fù)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(zhǔn)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(shè)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(shù)對于膠合木梁柱螺栓節(jié)點剛度和承載力的提升效應(yīng)。結(jié)果表明，碳纖維布加固技術(shù)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(biāo)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(guān)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(dǎo)膠合木結(jié)構(gòu)設(shè)計建造、既有結(jié)構(gòu)安全性評估和改造加固等工程應(yīng)用，并可拓展相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的應(yīng)用范圍。

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(fù)加載試驗和相關(guān)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(dāng)木材橫紋劈裂裂縫擴(kuò)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(xì)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(jìn)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(dǎo)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(kuò)大。 在試驗和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，課題考慮Ibarra帶有捏攏特征的滯回數(shù)學(xué)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(guān)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(shù)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(shù)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(hù)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(yīng)用。無縫橋橋臺及梁端節(jié)點受力復(fù)雜，是影響無縫橋全橋受力性能的關(guān)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(jìn)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(yīng)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(jìn)行橋梁無縫化改造計算方法和設(shè)計建議。本研究可為實際工程應(yīng)用推廣奠定理論基礎(chǔ)，推動既有橋梁無縫化改造技術(shù)的進(jìn)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(jìn)我國橋梁可持續(xù)發(fā)展具有重要的社會意義和應(yīng)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(fù)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(fù)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(yīng)力應(yīng)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(xì)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(shè)計和地震作用下的結(jié)構(gòu)倒塌分析提供理論基礎(chǔ)。課題成果可為相關(guān)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(yīng)用，符合我國節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)理念。