木結(jié)構(gòu)梁柱榫卯節(jié)點抗拔性能試驗研究★

袁玉寶,杜世光

(貴州民族大學(xué)人文科技學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

木結(jié)構(gòu)梁柱間一般采用榫卯節(jié)點連接。榫卯節(jié)點由榫頭和卯孔組成，榫頭是凸出的部分，卯孔是與榫頭連接的部件上的凹進(jìn)部分，兩者相互接觸，共同抵抗外荷載[1]。當(dāng)出現(xiàn)地震荷載時，榫卯節(jié)點會出現(xiàn)水平錯動，具有“大位移，小內(nèi)力”的特點[2]。地震荷載過大時，榫頭會拔出，卯口會擠壓變形。由此可見，研究榫卯節(jié)點的抗拔性能具有重要的意義[3-7]。

1 試驗設(shè)計

1.1 木材的物理力學(xué)性質(zhì)

作為一種天然的建筑材料，木材在縱向(L向)、徑向(R向)、弦向(T向)的力學(xué)性能各不相同，即木材的各項異性。以杉木為例,其物理力學(xué)性能參數(shù)[8]如表1所示。

表1 杉木的物理力學(xué)性能

1.2 物理模型及有限元模型

梁柱榫卯節(jié)點的柱徑為300 mm，梁高為300 mm，梁寬為150 mm，榫頭為100 mm。直榫和燕尾榫的幾何尺寸如圖1所示。

梁柱采用Solid185實體單元。梁柱間接觸采用Target170單元和Contact174單元，Target170單元表示目標(biāo)面，Contact174單元表示接觸面。

考慮模型關(guān)于X對稱，建立1/2有限元模型(如圖2，圖3所示)，施加對稱約束。求解分析考慮2個荷載步，第1荷載步為榫頭與卯口過盈接觸時的應(yīng)力。第2荷載步為榫頭從卯口拔出時的接觸應(yīng)力。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

2.1.1 過盈接觸

第1荷載步，燕尾榫過盈接觸等效應(yīng)力云圖如圖4所示。

由圖4可知，最大接觸應(yīng)力為0.966×10-2Pa，可以忽略不計。直榫過盈接觸的應(yīng)力計算無法收斂。綜上所述，榫卯節(jié)點不考慮過盈接觸。

2.1.2 拔榫接觸

直榫無過盈接觸。其拔榫接觸過程(第1荷載步)共有33個荷載子步。取第5，10，15，20，25，30，33荷載子步的位移、等效應(yīng)力、摩擦應(yīng)力見表2。

表2 直榫拔榫接觸的位移和應(yīng)力

燕尾榫拔榫接觸過程(第2荷載步)共177子步，取第25，50，75，100，125，150，177荷載子步的位移、等效應(yīng)力、摩擦應(yīng)力見表3。

表3 燕尾榫拔榫接觸應(yīng)力和位移

直榫第33荷載子步、燕尾榫第177荷載子步的等效應(yīng)力云圖如圖5，圖6所示，摩擦應(yīng)力云圖見圖7，圖8。

2.2 試驗結(jié)果分析

繪制直榫拔榫過程的位移、應(yīng)力隨荷載子步的變化規(guī)律曲線如圖9,圖10所示。

由圖9，圖10知，直榫拔榫過程中，在荷載子步的前半段，位移不增長，等效應(yīng)力保持不變；但在荷載子步的后半段，位移快速增長，等效應(yīng)力快速下降。在整個拔榫過程中，摩擦應(yīng)力幾乎不變，摩擦應(yīng)力約為等效應(yīng)力的1/25。

繪制燕尾榫拔榫過程的位移、應(yīng)力隨荷載子步的變化規(guī)律曲線如圖11,圖12所示。

由圖11，圖12知，燕尾榫拔榫過程中，位移隨荷載子步呈線性增長，等效應(yīng)力在一定范圍內(nèi)波動，摩擦應(yīng)力幾乎不變，摩擦應(yīng)力約為等效應(yīng)力的1/25。

3 結(jié)論

1)直榫在拔榫過程的荷載子步前半段，位移和應(yīng)力基本恒定；荷載子步后半段，位移快速增長，等效應(yīng)力快速下降。

2)燕尾榫在拔榫過程中，位移隨荷載子步呈線性增長，等效應(yīng)力在一定范圍內(nèi)波動。相比直榫，燕尾榫在拔榫過程中受荷更加均勻。

3)拔榫過程中，直榫和燕尾榫的摩擦應(yīng)力均約為等效應(yīng)力的1/25。