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残损斗栱节点受力性能试验研究

陈九璋 陈雪瑶 戴璐

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残损斗栱节点受力性能试验研究

    作者简介: 陈九璋。主要研究方向:木结构材料与工程。Email:836878641@qq.com 地址:100083 北京林业大学材料科学与技术学院.
    通讯作者: 戴璐,博士,讲师。主要研究方向:古建木构基本力学性能。Email:dailu@bjfu.edu.cn 地址:同上
  • 中图分类号: TU366.2

Experimental research on mechanical performance of damaged bracket set joints

  • 摘要: 目的 斗栱是古建筑木结构的重要组成部分,对维持整体结构力学性能的稳定起着至关重要的作用。现存古建结构中的斗栱节点都存在着一定的残损变形,而目前对斗栱节点力学性能的研究多以完好的斗栱为试验对象,甚少考虑残损状态,尤其腐朽、虫蛀带来的体积损失对斗栱节点力学性能的影响。因此,研究残损对斗栱节点乃至整体结构力学性能的影响具有十分重要的现实意义,可为古建木结构的修缮与保护提供科学依据。方法 以应县木塔二层平坐层的典型柱头铺作为研究对象,以1∶3.5的缩尺比制作了4组斗栱节点模型,保持1组模型完好,对余下3组进行不同位置钻孔的人工残损处理来削弱斗栱组成构件的受力截面,从而模拟斗栱的残损. 通过进行竖向加载试验,得到了4组斗栱节点的荷载−位移曲线,结合试验现象明确了残损斗栱节点的受力和变形特征。结果 竖向荷载作用下,斗栱节点的破坏主要体现在第二跳华栱的断裂、弯曲变形和交互斗的开裂。残损斗栱节点的破坏形态与完好斗栱节点相似,但破坏程度更严重。其极限荷载与抗压刚度都有所下降,且残损对斗栱节点的抗压刚度影响更为显著。结论 在残损类型相同,且结构整体残损度相近时,第一跳栱的残损对斗栱节点极限荷载和抗压刚度的影响最大。
  • 图 1  斗栱构造

    Figure 1.  Structural components of bracket set

    图 2  栌斗受力分析图

    Figure 2.  Stress analysis diagrams of cap block

    图 3  华栱和泥道栱受力分析图

    Figure 3.  Stress analysis diagrams of Hua-Gong and Nidao-Gong

    图 4  试验模型平面设计图及尺寸

    Figure 4.  Designing plans and dimensions for test models

    图 5  试验斗拱模型

    Figure 5.  Bracket models for test Gongs

    图 6  加载装置

    Figure 6.  Loading device

    图 7  DG-1加载试验现象

    Figure 7.  Phenomena in loading test of group DG-1

    图 8  DG-2加载试验现象

    Figure 8.  Phenomena in loading test of group DG-2

    图 9  DG-3加载试验现象

    Figure 9.  Phenomena in loading test of group DG-3

    图 10  DG-4加载试验现象

    Figure 10.  Phenomena in loading test of group DG-4

    图 11  斗栱模型的荷载−位移曲线

    Figure 11.  Load-displacement curves of bracket set model

    图 12  斗栱模型的荷载−位移拟合曲线

    Figure 12.  Load-displacement fitting curves of bracket set model

    表 1  应县木塔底部三层斗的残损分布

    Table 1.  Damage distribution of bracket sets of lower three stories in Yingxian Wooden Tower %

    位置
    Position
    轻微外闪、裂缝
    Slight distortion and cracks
    外闪、个别构件残损
    Few broken omponents
    外闪变形、开裂严重
    Serious deformation and cracking
    炮击受损、碎裂
    Fragmentation
    一层明层 First clear floor 28.1 28.1 43.8
    二层平坐层 Second supporting platform floor 6.3 84.4 9.3
    二层明层 Second clear floor 18.8 59.4 9.3 12.5
    三层平坐层 Third supporting platform floor 15.5 78.1 3.2 3.2
    三层明层 Third clear floor 71.9 28.1
    注:表1引自于参考文献[13]。Note: Tab.1 is cited from reference [13].
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    表 2  模型残损部位与残损度

    Table 2.  Damage positions and degree of bracket set models

    模型编号 Model No.残损部位 Damage position 孔洞间距 Hole spacing/mm 体积损伤率 Volume loss ratio/%
    DG-1 完好 Perfect
    DG-2 栌斗 Cap block 8 6.5
    DG-3 第一跳华栱、泥道栱 First Hua-Gong and Nidao-Gong 13 6.7
    DG-4 第二跳华栱、令栱 Second-story Hua-Gong and Ling-Gong 13 6.8
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    表 3  模型的抗压刚度计算值

    Table 3.  Compressive stiffness calculations of bracket set models

    模型编号
    Model No.
    抗压刚度
    Compressive stiffness/
    (kN·mm−1
    抗压刚度降低率
    Reduction ratio of compressive stiffness/%
    DG-17.45
    DG-24.4540.3
    DG-33.6551.0
    DG-44.2043.9
    注:抗压强度降低率为完好模型组刚度与残损模型组刚度的差值相比完好模型组刚度的百分数。Note: the reduction ratio of compressive stiffness is the difference (between perfect model and damaged model) versus perfect model stiffness.
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