SMA加固古建筑直榫节点抗震性能试验研究及参数分析

• 作 者: 张玉涛
• 出 处: 西安建筑科技大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 直榫节点 SMA 抗震性能 试验研究 有限元模拟 理论分析

中国作为世界上四大文明古国之一,拥有着众多宝贵的物质和文化遗产,而古建筑木结构无疑就是无数遗产中最耀眼的一颗明珠。然而,由于自然、人为等各因素影响的日积月累,古建筑木结构出现了不同程度的破坏。在众多的破坏形式中,榫卯节点变形过大导致柱架倾斜的现象比较常见。因此,有必要对榫卯节点的受力机理、抗震性能及节点加固进行深入研究,以达到科学、合理保护古建筑及延长其寿命的目的。本文针对古建筑直榫节点设计了一种新型形状记忆合金(简称SMA)加固装置,通过拟静力试验、有限元模拟及理论分析对直榫节点加固前后的抗震性能进行研究,主要研究内容为:(1)本文通过完好节点、加固残损节点及加固完好节点进行拟静力试验,分析了直榫节点在未加固及不同加固方案下的受力机理、破坏形态、弯矩-转角关系、刚度退化、耗能性及变形能力等,结果表明:试件破坏主要发生在节点处,柱与枋基本完好;完好节点的滞回曲线呈反“Z”型,具有明显“捏拢”和滑移效应,加固节点的滞回曲线呈反“S”型,滞回环更加饱满,加固后节点抗弯承载力均有不同程度的提升,SMA丝数量越多,承载力越大,不同SMA预拉应变加固节点的滞回环峰值承载力大致相同;节点的转动刚度随节点转角的增大而减小,加固节点的转动刚度大于完好节点,SMA丝数量越多,节点转动刚度越大,不同SMA预拉应变对节点转动刚度影响不大;随着节点转角的增大,完好节点的耗能能力越来越小,而加固节点先增大后减小,SMA丝数量、预拉应变对下降段影响不大,SMA对节点的耗能能力具有减弱效果,且减弱效果随节点转角的增大而减小;直榫节点具有较好的变形能力,节点拔榫量随着节点转角的增大而增加。(2)利用有限元软件建立了直榫节点有限元模型,将计算结果与试验结果进行对比,并对节点模型进行了参数分析,对比结果表明:反向加载时,直榫节点模拟弯矩-转角滞回曲线与试验曲线吻合较好;正向加载时,模拟结果与试验结果偏差较大,这是由于模拟中未能真实考虑榫卯加工误差及木材损伤。通过节点模型的参数分析得到:直榫节点抗震性能的主要影响因素为木材摩擦系数、榫卯间隙及木材顺纹抗压强度。(3)基于加固节点中SMA丝的变形分析、力学平衡、几何关系及SMA本构模型,推导了加固节点中SMA提供的弯矩-转角关系,得到了SMA提供的转动刚度;利用推导的计算公式,求解了各级位移幅值下SMA提供的弯矩计算值,将完好节点T-M1的峰值承载力与SMA提供的弯矩计算值叠加,得到加固残损节点T-M2的计算骨架曲线,并与试验曲线进行对比,结果表明计算骨架曲线与试验曲线吻合度较高。