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榫头局部正交层板结构对直榫节点受力性能的影响

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林业科学 2021年第3期57卷 117-125页

作者：武国芳龚迎春钟永赵荣军任海青中国林业科学研究院木材工业研究所中国林业科学研究院林业新技术研究所北京100090

【目的】针对直榫节点受弯时榫头横纹变形较大、刚度和承载力较弱的问题,将“正交胶合木”概念引入直榫节点中,探讨榫头局部正交层板结构对直榫节点受力性能的影响,并提出合理的直榫节点“预增强”方法和参数为传统榫卯节点在现代木结... 详细信息

【目的】针对直榫节点受弯时榫头横纹变形较大、刚度和承载力较弱的问题,将“正交胶合木”概念引入直榫节点中,探讨榫头局部正交层板结构对直榫节点受力性能的影响,并提出合理的直榫节点“预增强”方法和参数为传统榫卯节点在现代木结构工程中的应用提供理论与技术支持。【方法】以花旗松普通层板胶合木为材料,设计制作18个足尺直榫节点试件,其中部分试件榫头不作处理(对照组),其他试件榫头加工成正交层板结构。通过节点抗弯试验分析直榫节点的破坏模式和工作曲线,计算得到节点的抗弯刚度和极限弯矩;提出复杂应力状态下的木材本构关系模型,建立直榫节点有限元模型,对其抗弯性能进行模拟。与试验结果对比并验证模型准确性后,基于模型对局部正交层板结构直榫节点进行参数分析,探讨正交层板厚度、宽度等参数对直榫节点受力性能的影响规律。【结果】对照组直榫节点主要破坏模式为榫头端部顶面和根部底面的局部横纹压缩变形,局部正交层板结构可有效缓解榫头横纹压缩变形。与对照组相比,4组不同局部正交层板结构直榫节点的抗弯刚度平均值提升14.0%~36.9%,而极限弯矩有升有降;数值分析结果与试验结果吻合良好;随正交层板宽度增加,直榫节点的抗弯刚度先升后降,而承载力先降后升;随正交层板厚度增加,直榫节点的抗弯刚度呈上升趋势,而承载力呈下降趋势;对本研究直榫节点,建议正交层板厚度与榫头厚度比值取0.25,宽度取210 mm。【结论】局部正交层板结构可提高直榫节点的抗弯刚度,通过合理选择参数还可提高直榫节点的承载力;采用强度和韧性较好的材料,如重组竹和钢板等替代木材层板,可进一步提高直榫节点的抗弯刚度和承载力。

关键词：榫卯节点直榫正交层板预增强木结构

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直榫榫眼形状的数学描述

东北林业大学学报 2004年第6期32卷 119-119,121页

作者：徐达丽马岩郭继峰东北林业大学哈尔滨150040

将包络加工法和开榫工艺结合起来 ,使传统工艺方法数学化 ,提出了圆头直榫榫眼和斜面直榫榫槽的数学模型 ,为直榫形状的视频再现提供了数学方法。

关键词：直榫榫眼数字尺寸

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中国古代木结构直榫应用研究

古建园林技术 2017年第2期19卷 41-46页

作者：孟阳东南大学建筑学院东南大学传统木构建筑营造技艺研究国家文物局重点科研基地

榫接合是中国古代木构的主要连接方式,榫卯种类很多,形状各异,其中直榫是出现最早的榫卯类型之一,应用广泛,榫型方整。直榫根据榫端的不同又分为若干衍生亚型,以灵活适应不同的构造要求。本文以直榫为研究对象,通过对建筑大木作、小木... 详细信息

榫接合是中国古代木构的主要连接方式,榫卯种类很多,形状各异,其中直榫是出现最早的榫卯类型之一,应用广泛,榫型方整。直榫根据榫端的不同又分为若干衍生亚型,以灵活适应不同的构造要求。本文以直榫为研究对象,通过对建筑大木作、小木作、家具及墓葬中出现的各直榫实例的梳理,探讨直榫在木结构中的处理方式,初步分析直榫的类型分化与应用情况。

关键词：直榫榫肩丁材交接

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纤维布加固墩接木柱轴压试验

哈尔滨工业大学学报 2024年第2期56卷 77-85页

作者：徐杰姜绍飞福州大学土木工程学院福州350108

为探究外包纤维增强复合材料(FRP)加固墩接木柱的加固效果和工作机制,考虑不同纤维布和不同墩接方式等因素影响,开展10根墩接木柱的轴压加载试验。对比分析3种FRP布(AFRP,BFRP,CFRP)、4种不同墩接方式(巴掌榫、刻半榫、抄手榫和直榫)下... 详细信息

为探究外包纤维增强复合材料(FRP)加固墩接木柱的加固效果和工作机制,考虑不同纤维布和不同墩接方式等因素影响,开展10根墩接木柱的轴压加载试验。对比分析3种FRP布(AFRP,BFRP,CFRP)、4种不同墩接方式(巴掌榫、刻半榫、抄手榫和直榫)下加固柱的破坏模式和力学性能。结果表明:未采用FRP布加固的传统墩接柱表现为拼接缝木材开裂和开裂后的墩接区木材压屈折断,而FRP布加固后,墩接区整体性良好,破坏主要发生在墩接口,表现为木材压溃和纤维布褶皱;传统墩接柱承载力仅恢复至42%~69%,刚度恢复至43%~65%;FRP布加固后,轴压承载力可恢复至完好木柱的75%~100%,刚度可恢复至66%~107%,延性提升24%~96%,加固柱轴压性能和变形能力得到有效的恢复或提高,且刚度退化不明显;此外,有限元仿真得到的荷载位移曲线及力学指标与试验结果吻合良好。FRP加固墩接木柱的轴压力学性能良好,可为传统木结构建筑的修缮和木柱的墩接加固提供借鉴和参考。

关键词：墩接刚度延性纤维布抄手榫巴掌榫直榫

包含或并置——榫卯视角下对穿斗和插梁结构相互关系的再思考

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建筑学报 2023年第5期 108-114页

作者：孟阳浙大城市学院国土空间规划学院杭州310015

针对穿斗与插梁结构在术语和实物对应上的争议,提出以榫卯与结构形制相结合的整体关联思维探讨结构本质特征进而分辨二者关系的思路。对两种结构最显著不同的水平构件分析后发现榫卯不仅可以在形态上区分穿枋与梁栿,还是决定穿枋和梁栿... 详细信息

针对穿斗与插梁结构在术语和实物对应上的争议,提出以榫卯与结构形制相结合的整体关联思维探讨结构本质特征进而分辨二者关系的思路。对两种结构最显著不同的水平构件分析后发现榫卯不仅可以在形态上区分穿枋与梁栿,还是决定穿枋和梁栿应用不同受力原理的重要前提,并由此影响到两种结构不同的形制布置。

关键词：穿斗插梁穿榫直榫

木结构古建筑榫卯节点力学模型与抗震加固研究

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木结构古建筑榫卯节点力学模型与抗震加固研究

作者：王超西南交通大学

学位级别：硕士

中国木结构古建筑以其恢弘的气势和独特的结构闻名于世,成为东方建筑结构的代表,是宝贵的文化遗产,并对周边国家建筑的产生和发展产生了深远影响。2008年的汶川特大地震给灾区古建筑带来了前所未有的劫难,即使是抗震性能较好的木结构古... 详细信息

中国木结构古建筑以其恢弘的气势和独特的结构闻名于世,成为东方建筑结构的代表,是宝贵的文化遗产,并对周边国家建筑的产生和发展产生了深远影响。2008年的汶川特大地震给灾区古建筑带来了前所未有的劫难,即使是抗震性能较好的木结构古建筑在地震中也出现了不同程度的损毁。其中,榫卯节点破坏是木结构古建筑常见的震害特征之一。因此,研究榫卯节点的受力机理以及相应的加固方法,对于更好地保护木结构古建筑,具有重要的理论意义和社会价值。本文通过理论分析,对直榫节点的力学模型进行了研究,并对采用阻尼器加固榫卯节点的方法进行了探索。主要研究内容和成果如下：首先,详细分析了直榫节点在一个加载循环(正向加载、正向卸载、反向加载和反向卸载)内,榫头及卯口的受力情况,考虑了木材受压非线性和拔榫量的影响,推导出直榫节点M-θ理论模型。通过理论分析和matlab编程绘图表明,该理论模型曲线与相关试验曲线在极值、发展趋势及拐点等各方面均吻合较好;直榫榫头上下表面对抗弯刚度贡献最大,而大榫头端部贡献很小。通过力学分析和对数学求解,得到了直榫节点M-θ理论曲线的各特征点,并给出了简化计算模型。其次,在有限元分析中,将榫卯节点简化为6个方向的变刚度弹簧,建立相同尺寸分别采用燕尾榫和直榫的柱架,输入相同的地震波模拟振动台试验,当地面加速度较小时,二者柱架柱头动力放大系数相差不多,而当地面加速度较大时,直榫柱架动力放大系数明显大于燕尾榫柱架,表明相同尺寸的直榫刚度和承载力均大于燕尾榫,这与相关试验结论相符。然后,分别建立未加固、用扁钢加固、用CFRP加固和用阻尼器加固榫卯节点的柱架有限元模型,计算得出柱头动力放大系数从大到小依次为扁钢加固柱架、CFRP加固柱架、未加固柱架和阻尼器加固柱架,说明用扁钢加固和用CFRP加固榫卯节点,均在不同程度上增大了节点刚度,增大了整个结构的动力响应,对结构不利,而用阻尼器加固榫卯节点,仅对柱架的高阶模态有所影响,并且降低了结构整体动力响应。研究还表明,阻尼器的阻尼取值并非越大越好,而是存在最优值。最后,应用本文推导出的直榫节点M-θ理论曲线,建立青城山黄帝殿的有限元模型,计算表明,由于该结构只有一侧有石墙裙,使得结构刚度不对称,产生了较强的扭转作用,导致该结构一层角部挑檐梁以及石墙裙附近砖柱与础石相连处内力较大,这与实际震害产生的位置相吻合,将实际情况加固(采用钢板加固榫卯节点)和模拟用阻尼器加固榫卯节点的黄帝殿模型进行了对比,研究表明,现有用钢板加固榫卯节点的方法,会导致结构大部分节点内力增加,地震响应增大,加固后的结构在将来的地震中存在隐患;而用阻尼器加固相同位置的榫卯节点.则会减小结构内力,降低结构动力响应。总之,木结构古建筑的榫卯节,点具有独特传力机理,对其维修和加固也应立足于保护它内在的传力机理,而用阻尼器加固榫卯节点对其整体受力更为有利。本文的研究成果可为木结构古建筑的加固保护工作提供借鉴。

关键词：木结构古建筑榫卯节点直榫力学模型抗震加固

山地古建筑木结构榫卯节点力学模型与受力机理分析

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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：王晓玥西南交通大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

基于有限元法分析的梓木椅类家具关键结构设计研究

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基于有限元法分析的梓木椅类家具关键结构设计研究

作者：马贞中南林业科技大学

学位级别：硕士

以有限元技术对家具结构强度进行分析为基础,对梓木基材的(?)力分析,以直桦结构为基本结构形式,在分析梓木材性的基础上,强(?)家具的整体强度属性。本研究旨在为梓木家具生产企业提供一种简单性方法。研究结果表明： (1)采用电测法和静... 详细信息

以有限元技术对家具结构强度进行分析为基础,对梓木基材的(?)力分析,以直桦结构为基本结构形式,在分析梓木材性的基础上,强(?)家具的整体强度属性。本研究旨在为梓木家具生产企业提供一种简单性方法。研究结果表明： (1)采用电测法和静态三点弯曲法对梓木的各项弹性常数和力学了试验测定,梓木的各项力J学强度指标符合木材的常规力学性能属性,出的是梓木的弹性模量表现为顺纹远高于水平方向,径向高于弦向的(?) (2)采用SolidWorks和ABAQUS联合的使用方法,能够显著的设计强度计算的前处理效率。 (3)通过试验测定了按规范加载荷载的实木椅类的靠背位移,经理论分析符合相关理论。 (4)经过有限元模型的整体受力分析,得到了椅子两条后腿的最大为家具强度理论提供了依据。 (5)对“L”型直桦结构的桦卯接合尺寸对进行分析,表现增加榫头够显著提高节点抗弯性能的。其中构件截面尺寸30mm×40mm×150mm "L"型榫到的桦头长x宽x厚的最优接口尺寸为18mm×10mm×18mm。

关键词：梓木实木椅子静荷载有限元 ABAQUS 直榫

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广府木祠堂典型榫卯节点参数化分析

广东土木与建筑 2013年第8期20卷 14-18页

作者：肖旻张增球陈庆军侯家健袁国财汤序霖亚热带建筑科学国家重点试验室广州510641 华南理工大学建筑学院广州510641 华南理工大学土木与交通学院广州510641 澳大利亚新南威尔士大学巴马丹拿建筑及工程师有限公司

通过有限元软件ABAQUS对广府木结构祠堂的典型节点箍头榫和直榫进行参数分析,充分考虑节点承载力和刚度的影响因素和木材正交各项异性的材性特点,两类节点各选取一定数量建立三维实体有限元模型,分析并获得各种参数变化下节点弯矩承载... 详细信息

通过有限元软件ABAQUS对广府木结构祠堂的典型节点箍头榫和直榫进行参数分析,充分考虑节点承载力和刚度的影响因素和木材正交各项异性的材性特点,两类节点各选取一定数量建立三维实体有限元模型,分析并获得各种参数变化下节点弯矩承载力和节点转动刚度的变化规律。本文还对节点的M-q曲线进行了双线性拟合,给出了考虑节点各尺寸参数的拟合公式,研究结果将为广府木祠堂修缮和结构加固提供节点承载力和节点转动刚度计算依据和取值参考。

关键词：广府木祠堂箍头榫直榫有限元