重型木框架梁柱螺栓节点弯剪受力性能和变异性研究

课题研究了梁柱螺栓连接节点区域内承受复杂应力的胶合木材料三维弹塑性损伤本构模型的建立方法。课题采用Hill屈服准则和Voce模型描述木材的受压硬化行为，根据Sandhaas提出的破坏准则和不同的损伤变量分别追踪木材的受拉和受压损伤演化过程。和实验结果对比发现：该模型能够合理描述木材在顺纹压应力作用下的强度软化、刚度退化和不可恢复变形，在一定程度上反映木材横纹受压非线性硬化行为，能准确地识别木材横纹受拉和顺纹受剪破坏模式。 课题开展了不同剪跨比梁柱螺栓连接节点承载力性能试验，研究了剪弯比对梁柱螺栓连接节点破坏模式、破坏机理和承载力的影响规律。结果表明：随着剪弯比的不断增加，节点的抗弯承载力和延性比不断降低。与纯弯节点相比，在设计的剪力、剪弯比例荷载作用下弯剪节点的抗弯承载力和延性比的均值最大分别降低了31.7%和15.6%。 课题考虑木材材性和螺孔间隙的随机分布规律，采用随机有限元方法计算了胶合木梁柱螺栓连接节点初始刚度和抗弯承载力。结果表明，销轴承压区顺纹和横纹方向弹性模量对于节点初始刚度的方差具有十分显著的影响，而螺栓孔隙对于节点初始刚度也具有一定的影响；木材横纹抗拉强度和顺纹抗剪强度对于节点抗弯承载力的方差具有显著的影响，而螺栓孔隙也会在一定程度上影响节点的抗弯承载力。 此外，课题研究了碳纤维布包裹、自攻螺丝贯入和局部交叉胶合木等技术对于胶合木梁柱螺栓节点刚度和承载力的提升效应。结果表明，碳纤维布加固技术可有效提高节点极限承载力56.7%、极限变形和耗能能力。课题基于节点破坏机理，提出有效提升率指标α。结果表明，有效提升率α与节点极限承载力提高系数β呈良好的线性关系，根据有效提升率α可以评价不同加固方法的提升效率。 课题研究成果可用于指导胶合木结构设计建造、既有结构安全性评估和改造加固等工程应用，并可拓展相关结构设计规范的应用范围。

重型木结构木可永久储存碳，减少温室气体排放，且其构件尺寸较大，具有高强、抗火和耐久等优点。然而，重型木结构结构冗余度较低，且有木结构“强构件弱节点”的共性，因而节点性能研究是热点和难点。课题以重型木框架梁柱螺栓节点为研究对象，针对节点弯剪复合受力机制还未被充分认识的现状和体系“强构件弱节点”的特点，研究节点弯剪承载力及其变异性和性能提升方法。以纯弯、纯剪和弯剪复合加载实验和精细化有限元数值模拟为手段，研究节点承载力和弯剪相关关系；以随机有限元、方差分析和反应面方法揭示节点承载力概率分布规律，提出节点承载力取值方法；以采用自攻螺丝、交叉胶合木和碳纤维布缠绕等方法的节点试验和数值模拟量化节点性能提升效应，建立定量分析和计算方法。研究工作可加深对节点受力性能的认识，建立基于概率的节点性能取值方法和定量的性能提升分析方法，改善重型木结构节点和体系性能，提升我国重型木结构的研究和工程应用水平。

课题在基金委资助下开展了胶合木梁柱螺栓节点弯剪单调和低周反复加载试验和相关木材、自攻螺丝等材性试验。试验考虑了两种胶合木制作方式、三种螺栓直径、两种螺栓边距和两种梁柱构件宽度。试验表明，胶合木梁柱螺栓节点在弯剪荷载作用下，在加载初期主要由木材横纹承压抵抗外部弯矩，当木材横纹劈裂裂缝扩展至构件端部后（位于节点区域内）则裂缝两侧木材以悬臂梁机制抵抗外部弯矩直至悬臂梁端部发生弯曲破坏。 课题建立了考虑木材各向、拉压异性的本构特性以及螺栓－木材、木材－木材和木材－钢板接触性能的三维精细化有限元模型，试验结果表明模型具有较好的计算精度。课题基于有限元模型进一步开展了考虑节点螺栓直径、边距以及螺栓孔隙影响的参数分析。研究结果表明：节点刚度和承载力随螺栓直径增大或边距减小而提高，而节点延性和耗能随之降低；螺孔孔隙的存在会导致节点弯矩－转角曲线初始段刚度明显降低，且低刚度段的范围（长度）随螺栓孔隙的增大而扩大。 在试验和数值模拟的基础上，课题考虑Ibarra带有捏拢特征的滞回数学模型并采用非线性拟合方法得到了胶合木梁柱螺栓节点弯矩－转角滞回关系模型参数，模型较好地体现了节点弯矩－转角骨架曲线特征（包括初始刚度及非线性发展）以及多次循环加载间节点刚度和峰值荷载退化等特征。 此外，课题开展了采用自攻螺丝和交叉胶合木技术提升节点刚度和承载力的初步研究。研究表明，自攻螺丝和交叉胶合木技术可有效提高节点极限承载力（分别为80%和52％）、极限变形和耗能能力。 2100433B

无缝桥取消了伸缩装置，使用性能好，维护费用少，是一种可持续性发展的桥梁，在我国正逐渐推广应用。无缝桥桥台及梁端节点受力复杂，是影响无缝桥全桥受力性能的关键。本项目提出一种适用于混凝土桩基桥台无缝桥的半刚性节点。通过开展节点试验研究和全桥振动台阵试验研究，并结合有限元进行拓展分析，研究采用半刚性节点的无缝桥受力性能。探明半刚性节点受力机理、传力模式和滞回性能，提出半刚性节点刚度计算方法；掌握全桥地震响应特性、破坏模式、内力分布规律与传递机制；提出采用半刚性节点进行桥梁无缝化改造计算方法和设计建议。本研究可为实际工程应用推广奠定理论基础，推动既有桥梁无缝化改造技术的进步，为无伸缩缝桥梁规范的制定提供参考与借鉴。项目对促进我国桥梁可持续发展具有重要的社会意义和应用价值。

胶合木结构梁柱螺栓节点的动力性能对于胶合木结构的抗震性能有重要影响，因此本课题主要研究胶合木梁柱螺栓节点在低周反复荷载作用下的破坏机理、破坏模式以及刚度和承载力的退化规律，并建立节点荷载－位移动力滞回模型。开展低周反复加载试验研究节点破坏模式及刚度和承载力的退化规律，通过螺栓－木材挤压试验建立局压作用下木材的应力应变滞回曲线。结合螺栓和螺孔周边木材抗压不抗拉的接触特性建立精细化动力数值分析模型。经试验验证后深入研究节点的破坏机理、破坏模式及刚度和承载力的退化规律，并开展参数分析研究节点形式、胶合木强度和螺栓直径、布置方式和边距对节点性能的影响趋势。考虑节点不同破坏模式，最终建立胶合木梁柱螺栓节点荷载-位移动力滞回模型，为胶合木结构抗震设计和地震作用下的结构倒塌分析提供理论基础。课题成果可为相关规范编制提供科研支撑，有助于推广胶合木木结构应用，符合我国节能减排和可持续发展的建设理念。