透榫节点受力性能的影响因素主要有节点尺寸、木材间摩擦系数、木材的材料属性以及轴压力等.因此,本文选取榫头的截面高度、摩擦系数、木材的横纹弹性模量、顺纹弹性模量、顺纹抗拉强度及轴压比等参数进行分析,通过逐个改变有限元模型的相关参数来分析其对透榫节点受力性能的影响.
3.1 榫头高度
其它参数不变,通过改变榫头截面高度h来研究其变化对透榫节点受力性能的影响,榫头高度分别取为120 mm、140 mm、160 mm、180 mm、200 mm,依次进行有限元分析.
图6给出了榫头高度变化对透榫节点弯矩-转角关系的影响,可以看出:榫头高度变化对榫卯节点骨架曲线的影响较为明显,在加载过程中,骨架曲线均随着榫头高度的增大而逐渐变陡,即在弹性阶段与强化阶段节点的刚度随着榫头高度的增大而增大.结合表4可知,随着榫头高度的增大,透榫节点的屈服转角有增大趋势,但不是很明显; 屈服弯矩与极限弯矩均大幅度增大,尤其当榫头高度为200 mm时,节点的极限弯矩增幅最大,为80.483%.
图6 榫头高度对节点弯矩-转角关系的影响
Fig.6 Effect of mortise height on the relationshipof moment-rotation of joint
表4 榫头高度对承载力与变形能力的影响
Tab.4 Effect of mortise height on bearing capacity and deformability
3.2 摩擦系数
木结构构件做工的精细程度直接决定了榫卯节点接触面间的粗糙程度,从而导致摩擦作用的不同.构件做工越粗糙,榫头和卯口间的滑动面越粗糙,摩擦系数就会越大,接触面之间产生滑移所需要的荷载就越大,进而影响透榫节点在加载时的峰值荷载.保持其它参数不变,改变摩擦系数来研究其对节点受力性能的影响.木材的摩擦系数一般在0.1～0.6范围内,本文依次取摩擦系数μ为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5进行分析.结果如图7、表5所示.
从图7和表5中均可以看出,透榫节点的刚度、屈服转角、屈服弯矩以及极限弯矩均随摩擦系数的增大出现不同程度的增大,其中弹性阶段和强化阶段刚度的增加均不是很明显; 屈服转角增大显著; 屈服弯矩的增长幅度明显大于极限转角的增长幅度.
图7 摩擦系数对节点弯矩-转角关系的影响
Fig.7 Coefficient of friction effect on the relationship of moment-rotation of joint
表5 摩擦系数对承载力与变形能力的影响
Tab.5 Effect of friction coefficient on bearing capacity and deformability
3.3 横纹弹性模量
木材的顺纹抗压强度远大于横纹抗压强度,在节点受力变形过程中,榫头主要发生横纹受压变形.因此,有必要分析木材横纹抗压弹性模量对节点变形的影响.保持其它参数不变,分别选取木材横纹径向抗压弹性模量为0.50Ec、0.75Ec、1.00Ec、1.25Ec、1.50Ec进行分析.木材横纹弹性模量对透榫节点力学性能的影响如图8、表6所示.
从图表中可以看出,随着木材横纹弹性模量的提高,弹性阶段刚度增大,而在强化阶段,不同横纹弹性模量下的骨架曲线几乎平行,即横纹弹性模量对刚度几乎无影响; 另外,随着横纹弹性模量的增大,透榫节点的屈服转角逐渐变小,屈服弯矩和极限弯矩逐渐增大,而且极限弯矩的增大幅度大于屈服弯矩的增大幅度.
图8 横纹弹性模量对节点弯矩-转角关系的影响
Fig.8 Compressive modulus of elasticity effect on the relationship of moment-rotation of joint
表6 横纹弹性模量对承载力与变形能力的影响
Tab.6 Effect of compressive modulus of elasticity on bearing capacity and deformability
3.4 顺纹弹性模量
从理论来看,尽管木材的顺纹抗压弹模模量Et远大于横纹的,在受力时顺纹方向发生的变形较小,但其对节点受力性能的影响还不明确.为了研究不同顺纹抗压弹性模量对节点受力性能的影响,本文分别选取顺纹抗压弹性模量为0.50Et、0.75Et、1.00Et、1.25Et、1.50Et进行分析,结果如图9所示.
图9 顺纹弹性模量对节点弯矩-转角关系的影响
Fig.9 Tensile modulus of elasticity effect on the relationship of moment-rotation of joint
表7 顺纹弹性模量对承载力与变形能力的影响
Tab.7 Effect of tensile modulus of elasticity on bearing capacity and deformability
从图9中可以看出,随着木材顺纹抗压弹性模量的提高,节点在弹性阶段的刚度逐渐增大; 强化阶段的刚度随着顺纹弹性模量的提高有减小趋势; 此外,随着顺纹弹性模量的增大,透榫节点屈服转角逐渐减小,屈服弯矩和极限弯矩均有不同程度的提升,但是提升并不显著,具体增幅见表7.
3.5 顺纹抗拉强度
木材的强度直接影响节点整体的力学性能,从透榫节点的试验结果来看,正向加载时,节点发生受弯破坏即顺纹受拉屈服.因此有必要研究木材顺纹抗拉强度ft对节点受力性能的影响.保持其它参数不变,分别取顺纹抗拉强度为0.6ft、0.8ft、ft、1.2ft、1.4 ft进行分析,结果如图 10所示.
图 10 不同顺纹抗拉强度下节点弯矩-转角曲线
Fig.10 Tensile strength effect on the relationshipof moment-rotation of joint
从
图 10可以看出,弹性阶段透榫节点的骨架曲线基本重合,而在强化阶段,随着顺纹抗拉强度的提高,骨架曲线的斜率有所变大,但是变化并不显著,即顺纹抗拉强度的改变对透榫节点弹性阶段与强化阶段的刚度几乎无影响.
随着木材顺纹抗拉强度的增大,透榫节点的屈服、屈服弯矩和极限弯矩均有明显增大.通过特征点的计算结果对比来看,节点的屈服弯矩的增大幅度大于极限弯矩的增大幅度,具体对比结果如表8所示.
表8 顺纹抗拉强度对承载力与变形能力的影响
Tab.8 Effect of tensile strength on bearing capacity and deformability
3.6 轴压比
根据现代结构理论,柱(墙)的轴向力的变化会影响结构的延性,通常由轴压比反映.尽管木结构建筑的高度较低,质量较轻,轴压比对其的影响可能较小,但轴压比对节点受力性能的影响并不明确.因此,本文通过改变柱顶施加的轴向力来研究其对节点受力性能的影响,保持其它参数不变,分别选取轴向力N为10 kN、20 kN、30 kN、40 kN进行分析,结果如图 11所示.
图 11 轴压比对节点弯矩-转角关系的影响
Fig.11 Axial compression ratio effect on the relationship of moment-rotation of joint
由于榫卯连接具有半刚性的特性,节点在受力过程中主要通过榫头与卯口的挤压变形提供抵抗力.从理论上分析,当对柱施加的轴向压力增大时,柱子会发生变形从而引起卯口变形,使得节点挤压紧密,会提高节点的承载力或刚度.但从
图 11显示的结果来看,改变轴向压力并未对透榫节点的弯矩-转角关系产生明显影响,即轴向力对节点的受力性能几乎没有影响.这是因为木材的顺纹抗压强度和弹性模量均较大,在柱顶施加的轴向力较小,不足以使卯口产生明显的变形,更不会使节点间的挤压紧密,从而不会影响到整个节点的受力性能.
