暗销在藏式古建筑木结构连接中的作用.pdf

第3 4 卷第4 期北京交通大学学报 V 0 1 ．3 4N o ．4 2 鱼 Q 篁旦』Q 垡垦些△坠Q 曼星 』 墼垒』 垒Q Q 些鱼些墼 至曼垦量 兰垒坠g ；至Q Q 文章编号1 6 7 3 ．0 2 9 1 2 0 1 0 0 4 ．O lr 2 ．0 5 暗销在藏式古建筑木结构连接中的作用 李鹏，杨娜 北京交通大学土木建筑工程学院，北京1 0 0 0 4 4 摘要与传统汉式古建筑木结构相比，藏式古建筑木结构具有连接简单、传力直接、构造简洁等特 点，其木结构梁柱节点连接很少采用复杂榫卯和斗拱，主要通过构件的垂直叠压实现节点连接功 能，并辅以暗销来定位．文中采用非线性有限元方法，通过建立局部构件精细化模型，研究了暗销在 节点连接中的力学作用，得到了描述暗销力学性质的弹簧模型．研究结果表明暗销使滑移初始刚 度略有提高，对构件相对滑移承载极限提高明显． 关键词藏式古建筑；木梁柱节点；暗销；弹簧模型 中图分类号T U 3 6 6 ．2 ；T U 3 1 1 ．2文献标志码A M e c h a n i c a lR o l eo fD o w e li nW o o d e nC o n n e c t i o ni nT i b e t a n A n c i e n tA r c h i t e c t u r e L lP e n g ，Y A N GN a S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n g ，B e i j i n gJ i a o t o n gU n i v e r s i t y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t C o m p a r e dt ot r a d i t i o n a lC h i n e s ea n c i e n tt i m h e rs t r u c t u r e s ，t h eb e a m c o l u m nc o n n e c t i o no f T i b e t a na n c i e n ta r c h i t e c t u r ef e a t u r e si ns i m p l ec o n n e c t i o n s ．d i r e c tl o a dt r a n s m i s s i o np a t h sa n dc o n c i s e c o n s t r u c t i o n s ．Mo r t i s e - t e n o na n dd o u g o n gc o n n e c t i o n sa r er a r e l yu s e di nT i b e t a na n c i e n ta r c h i t e c t u r e s ． T h eb e a m c o l u m nc o n n e c t i o ni p i n ti Sf o r m e db yl a m i n a t e dm e m b e r sw i t hd o w e l s ．I nt h i sp a p e r ，ar e - f i n e dn o n l i n e a rF EMm o d e lw a se s t a b l i s h e da n dt h em e c h a n i c a lr o l eo fd o w e l sw e r es t u d i e d ．As p r i n g m o d e lW a so b t a i n e df i n a l l yt op r e s e n td o w e lp r o p e r t i e s ．T h er e s u l t ss h o w e dt h a td o w e l sc o u l di n c r e a s e t h ei n i t i a ls l i ps t i f f n e s ss l i g h t l ya n di m p r o v et h eb e a r i n gc a p a c i t yo fm e m b e rr e l a t i v es l i d i n gg r e a t l y ． K e yw o r d s T i b e t a na n c i e n ta r c h i t e c t u r e ；w o o d e nb e a m - c o l u m nc o n n e c t i o n ；d o w e l s p r i n gm o d e l 明确木结构梁柱节点的力学特性是进行结构分 析的重要前提．由于古建筑木材性质、节点尺寸、构 造类型差异较大，因此目前对木梁柱节点静动力性 能的研究主要以试验方法为主，而用有限元模拟的 研究则相对较少．姚侃等⋯通过典型榫卯连接的力 学分析和模型低周反复荷载试验，对榫卯的半刚性 连接特性和刚度退化规律进行了研究；高大峰等L 2 J 对一类斗拱进行了竖向加载试验，得到了荷载．位移 曲线；张文芳[ 3 ] 通过对应县木塔层间铺作模型进行 恢复力试验，得到了3 种竖向荷载下的滞回曲线及 特征；赵均海等[ 4 ] 对3 种代表性斗拱的动力特性进 行了研究，得到了斗拱模型的频响函数曲线、固有频 率及阻尼比．魏国安【5 J 5 利用A N S Y S 对斗拱进行了 轴压和低周反复荷载下的数值模拟；竺润祥等【6 J 引 入半刚性弹簧单元作为榫卯连接模型，并采用典型 外载法求得了榫卯连接的弯曲和剪切刚度． 藏式古建筑梁柱节点构造相对简单，不像传统 古建筑那样用到大量的榫卯和斗拱．梁、弓木、垫木、 斗及柱等构件直接垂直叠压放置，仅在中线上辅以 暗销定位．由于暗销尺寸较小，过去通常将之视为建 收稿日期2 0 0 9 ．1 l 1 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 1 9 7 7 1 0 7 0 作者简介李鹏 1 9 8 4 一 ，男，山西长治人，博士生．e m a i l 0 9 1 1 5 2 8 4 b j t u ．e d u ．c a ． 杨娜 1 9 7 4 - ，女 满族 ，辽宁大连人，教授，博士，博士生导师． 第4 期 李鹏等暗销在藏式古建筑木结构连接中的作用 ～一一 13 造时的定位工具，而忽略了其力学作用．实际上，暗 销一定程度上能加强节点各构件间的联系，提高梁 柱节点的强度和稳定性．目前国内外尚无针对藏式 古建筑木构架节点力学性能的研究，进行节点的有 限元模型计算，需先明确暗销的力学作用． 1 有限元模型建立 藏式古建筑粱柱节点由柱、栌斗、垫木、弓木、粱 及暗销组成，构件木材树种主要为藏青杨．以竖直方 向为基准，柱、暗销为顺纹放置，而梁、斗、垫木和弓 木均为横纹放置，见图1 ．连接梁和雀替的暗销一般． 为长方体小木块，横截面为6 0m m 4 0m m ．此外， 与斗相连的木销为方柱和圆柱，横截面边长或直径 在5 0I B m 左右． 图1 藏式建筑梁柱节点构造 F i g ．1 C o n s t r u c t i o no fb e a m c o l u m nC O n n e c t i o ni n T i b e t a n s t y l eA r c h i t e c t u r e 1 ．1 古木材材性参数的确定 木材属于各向异性的材料，由于组织构造关系， 在顺纹、径向及弦向的物理力学性质差别很大．木材 的3 个对称轴L 、r 、R 近似垂直，可以视作相互正 交的弹性对称轴，分别用x 、l ，、z 代替，即认为木材 是正交的各向异性材料[ 6 J ，见图2 ．由于木材材质的 特点，分析时不同方向需要采用不同的破坏准则． 木材在较低负荷下处于弹性阶段，而在高负荷 下部分进入塑性，并且有蠕变和松弛行为，在加载时 间较短时，可不考虑木材的蠕变和松弛效应[ 7 l 。对 木构件进行弹性计算时，在A N S Y S 中可依次输入 弹性模量E 、剪切模量G 和泊松比∥来表示木材的 正交各向异性．文献[ 8 ] 中规定，当缺乏试验数据时， 木材的横纹弹性模量E y 和易与顺纹弹性模量E r 的比值可近似取为E y ／E x 一0 ．1 0 ，E z ／E r 。O ．0 5 ； 木材的剪切模量与顺纹弹性模量n 的比值可近似 取为G x r ／E x 一0 ．0 7 5 ，G r z ／E x ≈0 ．0 1 8 ，G x z ／E x a o ．0 6 ；对于顺纹弹性模量巩，其数值可在木材试 验得到的抗弯弹性模量基础上增加1 0 ％，则E r 64 3 5 1 ．1 70 7 8 ．5 M P a ，取为E x 70 8 0M P a ． 泊松比f Z x y ，产比，p 彪分别定义为O ．2 ，0 ．4 3 ，0 ．4 7 ． 7 1 卜婆向 图2 木材的纵向、径向和弦向 F i g ．2L o n g i t u d i n a l 。r a d i a la n de h o r d w i s eo fw o o d 在高负荷下，木材部分进人塑性．因此，对木结 构进行弹塑性分析，尚需要在弹性本构关系的基础 上合理地定义出木材的弹翅性本构模型． 由图3 可知，木材顺纹方向的拉、压弹性模量相 等，顺纹抗拉强度远大于顺纹抗压强度；木材顺纹强 度大于横纹强度，斜纹介于两者之间；顺纹抗压的应 变远小于径向和弦向应变．其中d r t 。，湖d 为受拉屈服 应力；d r c o m - 训为受压屈服应力；E 叭啪为拉伸切线模 量；E 叶。。。为压缩切线模量． 图3 藏青杨本构模型 F i g 3 C o n s t i t u t i v em o d e lo fT i b e t a nC a t h a y ．_ P o p l a r 为了能够模拟木材3 个正交方向屈服强度及拉 伸状态和压缩状态下屈服强度的不同，采用广义 H i l l 准则分析木材的弹塑性行为．单轴屈服值的选 取需要满足2 个条件，即 警x 孝oX 紫 等 吣o 一 o } Y o 、Yo 毋．z 一～＼l 。 M } 】 膨；2 肘；3 2 MJ I 膨2 2 M 2 2 M 3 3 肘1 1M 3 3 c 2 嘻 C 3 ． 2 5 堇2 0 R 1 5 始 * l o * 5 O O2468l O 相对滑移／r a m a 改变均布压力 童 长 掣 * * 相对滑移／m m b 改变接触面积 图l O 不同接触条件下水平荷载和相对滑移关系 F i g ．1 0R e l a t i o n s h i pb e t w e e nh o r i z o n t a ll o a da n d r e l a t i v es l i pu n d e rd i f f e r e n tc o n t a c tc o n d i t i o n s 3 暗销力学模型简化 由于暗销同卯孔间挤紧程度有限，又考虑到相 邻木构件连接的特点，故可忽略暗销的轴向拉压及 弯曲作用，认为其力学作用主要靠横向剪切提供．选 取暗销的中截面为研究对象，由应力云图 图8 可 知，该截面上水平剪应力分布基本均匀，则暗销提供 的总剪力为P r A ．其中r 为均布剪应力，可选取 截面上任一点的剪应力代替；A 为截面面积． 由计算结果得到暗销在Q 1 4k N ／m 时中截 面总剪力同剪切变形的关系，如图1 1 所示． 该剪力．剪切变形关系曲线可简化为一个4 折 线模型jO A 为暗销挤紧阶段，K l 为滑移初始刚度； A B 为弹性阶段；B C 为弹塑性阶段；C , D 为塑性阶 段．为了减少接触对，提高计算收敛性，节点建模时 l1 61 1 塞茎望奎兰兰堡 竺三兰堂 可以将暗销视作一维弹簧单元，模拟其剪切作用，弹 簧的力．变形关系曲线与图1 1 相同． 蓁1 1 i ◆ 暗销剪切变形／m m 图1 1 暗销剪力和剪切变形关系 F i g ．11 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nf o r c ea n d d e f o r m a t i o no fd o w e l 图1 1 中的4 折线模型可以代表一般尺寸范围 内梁柱节点暗销的特性，弹簧参数取值情况为刚 度K l 22 8 7k N ／m 、K 2 52 2 7k N ／m 、K 3 7 2 7 k N ／m 、K 4 0 ；关键点的剪力为P 0 ．7 4 1k N 、P B 8 ．0 4 3k N 、P c 1 1 ．0 1 7k N 、P n 1 1 ．0 1 7k N ． 当梁柱节点尺寸很大时，暗销的大小也应随之 改变．此时，暗销的弹簧模型可参考本文结果作适当 调整． 4 结论 1 藏式建筑中暗销主要承受水平受剪切作用， 当构件相对滑移过大时，暗销将发生沿中截面的剪 切屈服破坏，不再发挥作用．剪切荷载作用下，暗销 的变形和破坏可分为4 个阶段，即滑移阶段、弹性阶 段、弹塑性阶段和塑性阶段． 2 相邻构件的初始滑移刚度主要取决于构件 问的接触面积，暗销对初始滑移刚度的提高作用有 限；当梁上均布荷载不大时，暗销能够大幅提高构件 的滑移承载极限，这有利于结构的后期稳定． 3 对木梁柱节点精细化模型作非线性有限元 计算时，由于暗销的存在需要设定大量的面面接触 对，这给计算带来了诸多不便．为了节省计算时间， 提高收敛性，实际分析中可采用剪切弹簧模型来模 拟暗销的作用，弹簧参数设置可参考本文结果． 参考文献 ． [ 1 ] 姚侃，赵红铁，葛鸿鹏．古建木结构榫卯连接特性的试验 研究[ J ] ．工程力学，2 0 0 6 ，2 3 3 1 6 8 1 “ 7 3 ． Y A OK a n ，Z H A OH o n g t i e ，G EH o n g p e n g ．E x p e r i m e n t a l S t u d i e o nt h eC h a r a c t e r i s t i co fM o r t i s eT e n o nJ o i n ti nH i s - t o r i cT i m b e rB u i l d i n g [ J ] ．E n g i n e e r i n gM e c h a n i c s ，2 0 0 6 ， 2 3 3 1 6 8 1 7 3 ． i nC M n e s e [ 2 ] 高大峰，赵红铁，薛建阳，等．中国古代大木作结构斗拱 竖向承载力的试验研究[ J ] ．世界地震工程，2 0 0 3 ，1 9 3 5 6 6 1 ． G A OD a f e n g ，Z H A OH o n g t i e ，X U EJ i a n y a n g ，e ta 1 ．E x - p e r i m e n t a lS t u d yo nS t r u c t u r a lB e h a v i o ro fD o u g o n gu n d e r H eV e r t i c a lA c t i o ni nC h i n e s eA n c i e n tT i m b e rS t m c t u r e [ J ] ．W o r dE a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，1 9 3 5 6 6 1 ． i nC h i n e s e [ 3 ] 张文芳，李世温，程文澳．一类斗拱木结构恢复力特性的 模型试验研究[ J ] ．东南大学学报，1 9 9 7 ，2 7 增 6 5 7 0 ． Z H A N GW e n f a n g ，L IS h i w e n ，C H E N GW e n r a n g ．S t u d y o nM o d e lT e s to fO n eD o u g o n g ’sR e s t o r i n gF o r c eP r o p e r t y [ J ] ．J o u r n a lo fS o u t h e a s tU n i v e r s i t y ，1 9 9 7 ，2 7 s o 6 5 7 0 ． i nC h i n e s e [ 4 ] 赵均海，俞茂宏，杨松岩．中国古代木结构斗拱的动力试 验研究[ J ] ．实验力学，1 9 9 9 ，1 4 1 1 0 6 1 1 2 ． Z H A OJ u n h a i ，Y UM a o h o n g ，Y A N GS o n g y a n ．S t u d yo n D y n a m i cT e s to fD o u g o n gi n C h i n e s e A n c i e n tT i m b e r B u i l d i n g [ J ] ．J o u r n a lo fE x p e r i m e n t a lM e c h a n i c s ，1 9 9 9 ， 1 4 1 1 0 6 一1 1 2 ． i nC h i n e s e [ 5 ] 魏国安．古建筑木结构斗拱力学性能及A N S Y S 分析 [ D ] ．西安西安建筑科技大学，2 0 0 7 ． W E IG u o a n ．M e c h a n i c a lB e h a v i o ra n dA N S Y SA n a l y s i so f D o u g o n g i nC h i n e s eA n c i e n tT i m b e rB u i l d i n g [ D ] ．X i ’a n X i ’锄Un i v e r s i t yo fA r c h i t e c t u r ea n dT e c h n o l o g y ，2 0 0 7 ． i nC h i n e s e [ 6 ] 竺润祥，董益平，任茶仙，等．榫卯连接的古木结构静力 分析[ c ] ∥第十二届全国结构工程学术会议论文集．重 庆，2 0 0 3 1 1 8 3 1 1 8 6 ． Z H UR u n x i a n g ，D O N GY i p i n g ，R E NC h a x i a n ，e ta 1 ． S t a t i cA n a l y s i so fM o r t i s e - T e n o nC o n n e c t i o ni nA n c i e n t T i m b e rS t r u c t u r e [ C 、 } T h e12 t hN a t i o n a lS t r u c t u r a lE n s i ． n e e r i n gC o n f e r e n c e ．C h o n g q i n g ，2 0 0 3 1 1 8 3 1 1 8 6 ． i n C h i n e s e [ 7 ] 阿肯江托呼提，亓国庆．基于A N S Y S 的木梁有限元静 力弹塑性分析[ J ] ．世界地震工程，2 0 0 7 ，2 3 3 1 5 2 1 5 7 ． A k e n j i a n T u o h u t i ，Q IG u o o n g ．N o n l i n e a rA n a l y s i s o f W o o dB e a mw i t hS o f t w a r eA N S Y S [ J J ．W o r dE a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，2 3 3 1 5 2 1 5 7 ． i nC h i n e s e [ 8 ] 木结构设计手册编辑委员会．木结构设计手册[ M ] ．3 版．北京中国建筑工业出版社，2 0 0 5 。 E d i t o r i a lB o a r do f ‘D e s i g nM a n u a lo fT i m b e rS t r u c t u r e ’． D e s i g nM a n u a lo fT i m b e rS t r u c t u r e [ M ] ．3 r de d ．B e i j i n g C h i n aA r e h i t e c t u r e ＆B u i l d i n gP r e s s ，2 0 0 5 。 i nC h i n e s e [ 9 ] 樊承谋．木结构[ M ] ．北京中国建筑工业出版社，1 9 8 1 ． F A NC h e n g m o u ．T i m b e rS t r u c t u r e 【M ] ．B e i j i n g C h i n a A r c h i t e e t u r e ＆B u i l d i n gP r e s s ．1 9 8 1 ． i nC h i n e s e