东北落叶松胶合木-钢夹板螺栓连接抗剪性能研究

发布时间：2020-07-30 05:16

【摘要】：传统木结构作为一种环保、可再生和可循环利用的自然资源,自古以来就广泛应用于建筑结构中。现代木结构这种新型绿色建筑材料,它不但克服了传统木结构跨径较小的天然缺陷,而且具有强重比高、抗震性好、保温隔热、绿色环保、和谐美观以及适宜于快速装配化施工等诸多优点,而不断向大跨、高层结构发展。为推广国产东北落叶松胶合木在大跨桥梁和高层建筑等现代工程领域的应用,急需解决现代木结构构件的接长连接问题。为实现现代木结构构件长度的跨越,本文以国产东北落叶松胶合木-钢夹板螺栓连接件为研究对象,采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法对胶合木-钢夹板螺栓连接的抗剪性能进行探讨。主要研究工作包含以下几个方面。(1)针对木结构中胶合木-钢夹板螺栓连接的构造特点,考虑胶合木厚度与螺栓直径之比(厚径比)、螺栓间距及螺栓并列、错列布置3个因素的影响,设计了 3类17组,共51个推出试件,并采用推出试验方法对胶合木-钢夹板螺栓连接件进行了纵向荷载作用下的抗剪性能试验。探讨了胶合木-钢夹板螺栓连接剪切破坏模式、破坏机理及其抗剪性能的影响因素。(2)胶合木-钢夹板螺栓连接件抗剪性能试验结果表明:在胶合木-钢夹板单螺栓连接中,随厚径比增大,螺栓连接的破坏模式逐渐由“螺栓刚直”向“单铰”再向“双铰”转化,最佳厚径比为7.5。在多螺栓连接中,螺栓从上至下的弯曲程度呈递减规律,且部分胶合木出现销槽承压破坏。螺栓布置间距越大,连接件的抗剪承载力也越大,而初始刚度却越小。随着螺栓布置列数的增加,连接件的胶合木由沿中间单列螺栓劈裂破坏向两边列螺栓劈裂破坏转变,两列布置构件的延性最佳。在螺栓数目相同时,螺栓错列布置的抗剪承载力比并列布置的高,但并列布置的延性性能优于错列布置,而且试验连接中件中螺栓和垫片的应力分布规律性很好。(3)以Johansen“屈服理论”与销槽承压理想弹塑性模型为基础,结合现有木结构研究与规范,针对胶合木-钢夹板螺栓连接的单剪和双剪螺栓连接结构破坏模式,对单螺栓连接的承载力进行计算,推导出胶合木-钢夹板螺栓连接的抗剪承载能力计算公式。并与中国、美国、欧洲、加拿大等各国木结构设计规范螺栓连接的抗剪承载能力计算公式的计算结果进行对比分析,找出各国规范计算公式的偏差以及产生偏差的原因,为胶合木-钢夹板螺栓连接抗剪承载力的计算应怎么考虑各分项系数影响提供了思路和参考。(4)为验证试验结果的合理性,采用有限元数值模拟的方法对胶合木-钢夹板螺栓连接的抗剪承载能力进行仿真分析。结果表明:不但胶合木-钢夹板螺栓连接件抗剪承载力的有限元计算结果与试验结果吻合良好,精度较高,而且各螺栓和垫片在极限状态的应力和变形计算结果和试验结果也基本一致。同时,是否设置螺栓垫片对连接件抗剪承载能力的影响较小,从而在胶合木-钢夹板螺栓连接抗剪承载力的计算时可以不考虑螺栓垫片的有利作用,但在胶合木-钢夹板螺栓连接的设计中还得必须作为构造要求设置螺栓垫片。(5)由并、错列构件有限元计算结果表明:无论并列还是错列方式,均是最上排螺栓孔应力和变形最大,随着螺栓位置远离直接受荷载端则螺栓孔应力也将依次减小,螺栓错列布置的抗剪承载力比并列布置的高,但并列布置的延性性能优于错列布置等规律均与试验一致。无论是单螺栓连接件还是多螺栓连接件的有限元计算结果均充分验证了本文推出试验的合理性,同时也验证了有限元计算结果的可靠性。(6)针对现有木结构销栓连接三维有限元模型的计算效率低、收敛性差等问题,提出一种有限元宏观建模方法。并采用该方法对胶合木-钢夹板连接件进行数值计算,结果表明该有限元宏观建模方法在保证计算精度的前提下,大大降低了建模计算成本,提高了计算效率,为胶合木-钢夹板螺栓连接的理论计算提供有用参考。(7)为拓展有限元宏观模型的应用范围,利用宏观模型对木-混凝土组合结构中的螺栓连接进行计算分析,得出该有限元宏观模型同样既保证了一定的计算精度也大大提高了计算效率。实现了木结构螺栓连接节点性能的简化有限元计算,为螺栓连接结构的数值计算带来便利,同时为木结构连接中的多螺栓和群螺栓连接的计算分析提供了新思路和新方法。
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU398.9
【图文】：

北京故宫

而设计工作可将主要精力放在提高总体布置和装修大样的质量上。但是这逡逑样使得单体建筑无法有更多的的变化。中国古代建筑虽然有完善的、十分成熟的体系逡逑（如图１．２、图１．３），但在技术发展和建筑类型上依然表现出因为长期处于封建制逡逑度所导致落后状态及停滞状态［３］。逡逑图１．２北京故宫太和殿逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｔａｉｈｅ邋Ｄｉａｎ，邋ｔｈｅ邋Ｉｍｐｅｒｉａｌ邋Ｐａｌａｃｅ，邋Ｂｅｉｊｉｎｇ逡逑到１６？１８世纪末，随着外国传教士在中国大陆建立教堂，西方的技艺开始传进逡逑大陆，但数量非常少，并未对我国木结构建筑产生巨大的影响。真正的中国近代建筑逡逑发展是随着外国的入侵活动，被动的输入大量的西方建筑类型和技艺开始的。对比国逡逑外新的结构形式，我国传统木结构的用料比较多，并且跨度依照木材的大小来设定，逡逑因此木结构形式对于近代社会的发展显得捉襟见肘。因此，在大城市的发展过程中，逡逑中国传统木结构逐渐开始被砖墙承载木桁架体系、钢筋混凝土体系、钢结构体系等新逡逑时代的体系所替代。逡逑２逡逑

学校,工厂,结构形式,上海

技术简单、取材方便等优点，因而被得到了广泛的流传ｍ。２０世纪初全国各地的办公逡逑楼、工厂、住宅、学校，大部分都是采用这种结构形式，如上海汇中饭店，可达６逡逑层，就是米用砖木体系建造（如图１．４）。逡逑ｉＳｉｙ逡逑＿｜邋＿逡逑图１．４上海汇中饭店逡逑Ｆｉｇ邋１．４邋Ｓｈａｎｇｈａｉ邋Ｈｕｉ邋Ｚｈｏｎｇ邋Ｈｏｔｅｌ逡逑３逡逑

上海,木屋架

逡逑图１．３明长陵棱恩殿逡逑Ｆｉｇｌ．３邋Ｔｈｅ邋ｈａｌｌ邋ｏｆ邋Ｍｉｎｇ邋Ｃｈａｎｇｌｉｎｇ逡逑在１９世纪中期之后，砖木结构在我国有了很大发展。主要特点是里面采用木柱逡逑承重、两坡顶木屋架，外面采用使用砖石做的承重墙，并使用比较多的拱券。此结构逡逑相比传统的木结构体系具有足够的优越性，但仍然使用的是传统木结构建筑材料，砌逡逑筑砖石墙，木屋架的制作同样是采用传统的技艺。但是由于其具有结构具有合理性、逡逑技术简单、取材方便等优点，因而被得到了广泛的流传ｍ。２０世纪初全国各地的办公逡逑楼、工厂、住宅、学校，大部分都是采用这种结构形式，如上海汇中饭店，可达６逡逑层，就是米用砖木体系建造（如图１．４）。逡逑ｉＳｉｙ逡逑＿｜邋＿逡逑图１．４上海汇中饭店逡逑Ｆｉｇ

【相似文献】