穿斗式木结构边节点传力特性及分析

李龙飞 吴秀峰 刘继远 张桐瑞 王 博

(辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁 阜新 123000)

0 引言

中华民族历史文化悠久，拥有着数量非常庞大的木结构房屋。因这种建筑材料具备来源广泛、取材方便、质量轻、易加工的优点，而深受喜爱。木结构建筑也随之发展起来并流传至今。木结构在我国的乡村农镇中特别常见，特别是在我国的川渝地区，穿斗式木结构的房屋建筑更是随处可见。很多景区建造了穿斗式木结构的建筑用于供游客观赏和居住，这些具有特色的建筑也成为了当地的一道风景线，许多游客慕名前来。在穿斗式木结构中，穿枋或斗枋依次穿透若干根木柱的柱身形成榫卯节点。在施加反复荷载时，榫头和卯口的连接处不断地发生摩擦、挤压，研究表明，节点处传力特性的好坏对木结构承载力的大小有决定性的影响。

本文将研究穿斗式木结构增刚耗能节点传力特性，通过利用有限元分析软件ANSYS对穿斗式木结构的边节点进行往复荷载模拟试验，并对其弯矩—转角滞回曲线展开分析。

1 直透榫节点的传力特性

1.1 水平荷载

穿斗式木结构的榫卯节点是直透式榫节点，依据其所在的位置分为边节点以及中节点。当木柱受到水平荷载时榫头和卯口相互挤压，二者之间挤压产生的摩擦力用来抵抗外界的水平荷载。当外部荷载大于二者挤压产生的摩擦力的时候，枋柱之间会产生相对位移。实际上，木柱底部在基础石之上，这种支座可以简化成固定铰支座的类型，也就相当于木柱固定铰接到了基础石之上。施加水平荷载时，木枋和木柱之间会发生相对转动，进而出现相应的转动刚度。相对位移和相对转动产生的转动刚度将引起动摩擦，进而提高结构延性(见图1)。

1.2 竖向荷载

当施加竖向荷载时，木枋起到过渡作用，将外部的荷载传递到榫头，榫头和卯口共同承受荷载，荷载传递到木柱，最后再从木柱传至基础。当外部荷载较小时，节点处于弹性阶段。随着荷载的增加，木枋将产生竖直方向的变形，从而导致榫头处发生竖向的位移和转动，从而使二者接触面上的摩擦力由静摩擦变为动摩擦。随着榫头的转动，榫头上表面和卯口内表面间的缝隙越来越大，进而节点松动。因此，经过一段的滑移后，二者才会重新接触，继续挤压。当荷载继续增加时由于缝隙是有限的，限制了榫头的转动，由此产生了塑性变形，最终导致了节点的破坏。

2 边节点反复荷载有限元模型的建立

2.1 模型尺寸

本文按照1∶3.52的比例建立普通边节点有限元模型[1]，边节点网格划分见图2，具体构件尺寸见表1。

表1 边节点有限元模拟模型尺寸

2.2 材料特性

因木材为典型的各向异性材料，故本文在建立有限元模型时采用广义Hill屈服准则来对木材进行有限元分析[2]。姜绍飞等[3]对木材弹性阶段和塑性阶段的各项参数指标进行了测定，其中强度测定的方法依照国家清材试样规定的方法进行试验，弹性模量的测定采取王丽宇等[4]的方法，即将应变片粘贴在待测试样上进行测量。本文具体的木材在弹性阶段、塑性阶段的弹性模量、剪切模量、泊松比见表2,表3。

其中，x,y,z方向分别为木材的顺纹方向、径向和弦向；τy为剪切强度；Gt为塑性剪切模量。

表2 木材弹性阶段材性参数

表3 木构件有限元模型塑性阶段材性参数 MPa

2.3 边界条件

穿斗式木结构的柱脚一般采用柱脚榫插入基础石的做法，故本文中对柱与基础石的支座类型简化为固定铰支座[5]。这种支座比较符合实际情况，在模拟中也能够控制柱地面所有节点的x,y,z方向上的位移。

2.4 加载机制

本文选择的对普通边节点的加载机制为：在位移为10 mm,15 mm,20 mm时每级循环一次，位移为25 mm,30 mm,35 mm,40 mm,40 mm时每级循环3次，共18个循环，见图3。边节点加载点图示见图4。

3 有限元模拟结果的分析

对结构或构件施加反复力，得到有关结构或构件的力和变形的曲线，这条曲线称为滞回曲线，滞回曲线由一圈圈的滞回环组成。通常我们可以用三种方法表示滞回曲线，分别是弯矩—转角、荷载—位移还有应力—应变的关系。其中曲线所围成的面积都代表能量，滞回环面积的大小可以简单判断耗能能力的强弱。图5为普通边节点弯矩—转角滞回曲线。

通过图5所示的弯矩—转角关系的滞回曲线可以初步看出，其形成了具有一定面积的密闭空间，说明普通直透榫节点在承受反复荷载的过程中能够耗散一定的能量。

普通边节点的滞回曲线呈现出逐渐上升的趋势，其中普通边节点的反力和位移的关系曲线表现出反Z字形，在循环荷载的作用下，榫头和卯口之间均产生了较大的滑移，而且随着控制位移的增加，滑移量也逐渐加大，滑移这一特征与榫卯节点本身的构造特点是相符的。当处于同一级控制位移加载下，第二次、三次循环的承载力和刚度比较接近，同第一次循环相比有明显的降低，当节点处的控制位移增大一级时，第一次循环时曲线上升段的轨迹，与前一级控制位移作用下第二、三次循环曲线的轨迹相同。

4 结语

1)探究了穿斗式木结构边节点的传力特性，得出了在直透榫节点的榫头和卯口之间不断的转动挤压的过程中，节点处产生相应的转角，同时由于卯口逐渐变得松动，导致榫头和卯口之间的间隙不断增大，降低了节点的承载力和刚度。

2)总结了在建立穿斗式木结构有限元模型时模型尺寸的缩放比例、材料力学性质的探究、边界条件以及加载机制的确定。通过采用有限元分析软件ANSYS模拟的方法，对穿斗式木结构直透榫边节点施加往复荷载模拟试验，得到了其弯矩—转角滞回曲线，并对数据进行分析。