山地古建筑木结构榫卯节点力学模型与受力机理分析

作     者：王晓玥 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘毅

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：山地古建筑 古建筑木结构 榫卯节点 柱架 燕尾榫 直榫 M-θ骨架曲线 P-?骨架曲线 

摘      要：我国是一个多山之国,许多古建筑修建于山地之上,我们将这种依山而建,与地形紧密结合的古建筑称为山地古建筑,其木柱不等高嵌固的特点使山地古建筑与平原地区古建筑的力学性能和结构特点不同。榫卯作为古建筑木结构的连接构件,已有的试验结果发现榫头和卯口之间的错动摩擦和相互挤压可以抵挡水平荷载,具有耗能减震的作用,但不同的木材以及榫卯尺寸对其力学性能影响较大。现阶段对山地古建筑力学性能的研究较为欠缺,对榫卯节点的研究未能充分考虑木材材性及榫卯节点尺寸对其力学性能的影响。基于此,本文以直榫和燕尾榫两种常见的榫卯节点试验模型为原型,在ABAQUS有限元软件中建立三维实体模型,模拟其试验过程,验证所建有限元模型的正确性。在此基础上对木材材性和节点尺寸对其力学性能的影响进行模拟计算,提出两种节点的M-θ骨架曲线。同时,本文以柱架试验模型为原型,建立不等高接地的一榀山地古建筑柱架模型,在ABAQUS有限元软件中建立杆件模型,基于本文提出的榫卯节点M-θ骨架曲线,以弹簧单元模拟榫卯节点,对其进行水平加载模拟计算。通过对山地不等高柱架和平地等高柱架的P-?骨架曲线和底部剪力进行对比,研究山地古建筑的受力机理。得到的主要结论如下:（1）直榫节点的M-θ骨架曲线为滑移段、弹性段和屈服段三折线,燕尾榫节点的M-θ骨架曲线为弹性段和屈服段二折线。两种节点的M-θ骨架曲线公式与收集的试验数据的拟合程度良好,能在一定程度上反映出榫卯节点的受力行为。（2）两种榫卯节点柱架有限元模型与试验的P-?骨架曲线拟合较好,证明M-θ骨架曲线应用到木柱架的模拟中是可行性的。对比两种榫卯节点的山地柱架和平地柱架的P-?骨架曲线和底部剪力可以得知,山地不等高柱架在位移与平地等高柱架一致时,更早屈服,且山地柱架上接地柱所受剪力是下接地柱的2倍左右。说明上接地柱是山地古建筑的薄弱部位。（3）现存古建筑木结构通常用直榫来连接梁枋和柱的交接处,燕尾榫多用于连接檐柱、额枋等水平构件与柱头的交接处,本文假设了燕尾榫用于纵向梁枋与柱的交接处,通过对比直榫节点柱架与燕尾榫节点柱架的结果发现燕尾榫的承载力只有直榫的1/2左右,所以用直榫连接梁枋和柱,用燕尾榫连接水平构件与柱头是合理的。