半刚性连接梁柱式木结构抗侧力性能研究

第４６卷第８期　２０１８年８月　同济大学学报（自然科学版）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　）ＮＧＪＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ）　Ｖ０ｌ＿４６　Ｎｏ．８　Ａｕｇ．２０１８　文章编号：０２５３．３７４Ｘ（２０１８）０８．１０１１－０７　ＤＯＩ：１０．１１９０８／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３—３７４ｘ．２０１８．０８．００２　半刚性连接梁柱式木结构抗侧力性能研究　刘应扬　，张枫　，熊海贝　（１．郑州大学土木工程学院，河南郑州４５０００１；２．同济大学土木工程学院，上海２０００９２）　摘要：考虑木结构节点的半刚性特性，推导了半刚性框架在　梁柱式木结构的连接节点，无论是传统的榫卯　侧向力作用下的刚度计算公式，讨论了节点半刚性对框架内　连接，还是采用金属连接件的现代木结构节点，均具　力分配的影响．对３榀单层单跨梁柱式木框架足尺试件进行　有一定的传递弯矩的能力，但是木材（与混凝土、钢　了水平荷载试验，其中１榀为单调加载，２榀为低周反复加　载；对５个采用相同设计的梁柱节点足尺试件进行了抗弯性　材相Ｌｔ）特殊的材料性质和连接方式使节点难以达　能试验，其中３个为单调加载，２个为低周反复加载．根据试　到完全传递弯矩的刚接连接的要求Ｅ　引．对于含有半　验现象研究了螺栓连接木结构梁柱框架的抗侧力性能、梁柱　刚性节点的梁柱式木结构框架，其节点的半刚性特　节点的抗弯性能以及两者的传力机理和破坏模式．最后，基　性是影响框架结构抗侧力性能的重要因素．　于获得的试验数据对推导的理论公式进行了验证．　由于木结构节点难以达到刚接的要求，因此现　关键词：木结构框架；半刚性连接；抗侧力性能；理论分析；　阶段的设计方法通常将节点假定为铰接连接来计算　试验研究　结构的内力，进而进行构件截面和节点连接的设计；　中图分类号：ＴＵ３６６．２　文献标志码：Ａ　同时，设置支撑、剪力墙等抗侧力构件，以满足整体　结构抗侧力要求；结构的耗能和延性性能，由支撑、　Ｌａｔｅｒａｌ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｔｉｍｂｅｒ　Ｆｒａｍｅ　剪力墙或者其他附加构件（如阻尼器）提供和实现．　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｗｉｔｈ　Ｓｅｍｉ－Ｒｉｇｉｄ　Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　但此设计方法也有相应的弱点和不足之处．半刚性　的节点在实际结构中会承载一部分的弯矩，节点在　Ｌ／Ｕ　Ｙｉｎｇｙａｎｇ　，￣￣４ＮＧ　，ＸＩＯＮＧ　Ｈａｉｂｅｉ　弯矩作用下易产生横纹方向的拉应力和顺纹方向的　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　剪应力，这两者也是木材材性中最薄弱的环节，可能　４５０００１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎ￣ｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２，Ｃｈｉｎａ）　导致节点区域木材的开裂［４］，甚至结构节点的失效，　而铰接设计方法则缺少相应的计算，在节点连接处　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗａｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｏｎ　ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ　的设计可能会偏于不安全．　ｔｉｍｂｅｒ　ｐｏｒｔａ１　ｆｒａｍｅ：ｆｏｒｍｕｌａｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｒｉｖｅｄ　ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　现代木结构发展应用的方向是高层和大跨结　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｌａｔｅｒａｌ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　构，结构的变形控制至关重要，设计中对节点力学性　ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ　ｊｏｉｎｔ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｔｅｓｔｓ　ｗｅｒｅ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ　ｏｎ　ｔｈｒｅｅ　ｆｕｌ１．ｓｃａｌｅ　ｔｉｍｂｅｒ　ｐｏｒｔａｌ　ｆｒａｍｅｓ　ａｎｄ　能把握的要求也进一步提高，基于半刚性节点假定　ｆｉｖｅ　ｂｅｌｔｅｄ　ｔｉｍｂｅｒ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｌ１ｅ　ｌａｔｅｒａ１　的设计方法有必要进行研究和推广．半刚性框架的　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒａｍｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｍｅｎｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　计算分析较早应用在钢结构设计中，用于考虑双腹　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ．Ｆｏｒ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ，ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｐｏｒｔａｌ　板角钢连接、上下翼缘角钢连接、Ｔ形键连接等难以　ｆｒａｍｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｂｅｎｄｉｎｇ　ｔｅｓｔｓ　ｗｅｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　达到刚接要求的梁柱节点设计．在结构内力计算中，　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗａｓ　ｍａｄｅ　ｔｏ　多采用通用有限元程序，以弹簧单元模拟梁柱节点　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｄｅｒｉｖｅｄ　ｆｏｒｍｕｌａｓ．　的力学特性，输入弯矩一转角关系，进而得到外力作　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｉｍｂｅｒ　ｆｒａｍｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｓｅｍｉ－ｒｉｇｉｄ　ｊｏｉｎｔ；ｌａｔｅｒａｌ　用下结构的响应［５　；一些学者也采用理论分析的方　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　法，建立基于半刚性节点的单元刚度矩阵，结合数值　计算方法求解，这种方法本质上和采用有限元程序　建模计算是一致的【６引．有限元计算方法的分析过程　收稿日期：２０１７—１２－１０　基金项目：２０１８年度河南省高等学校重点科研项目（１８Ａ５６０００３）；中国博士后科学基金（２０１８Ｍ６３２８０４）　第一作者：刘应扬（１９８７一），男，讲师，工学博士，主要研究方向为现代木结构．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｙｉｎｇｙａｎｇ５６８７＠ｑｑ．ｃｏｒｎ　同济大学学报（自然科学版）　第４６卷　较为隐性，难以得到问题的解析解，不利于从总体上　把握结构的性能；因此，也有学者在保证框架为“结　构”（假定全部或部分的半刚性节点为刚性节点）时，　借助结构力学的方法进行内力求解，之后再考虑半　刚性节点的受弯转动，线性叠加得到结构的总体位　移反应［８　；该类方法可以得到相关问题的解析公　式，能够定性和定量地研究结构的位移组成以及各　单独将柱作为隔离体分析，如图３所示．　变形　参数的影响，但在内力计算时，并没有考虑半刚性节　ＦＨ．　点对结构内力分配的影响，导致研究结果不够精确．　图３柱隔离体计算图　针对现阶段设计方法和研究手段上的不足之　处，本文拟采用结构分析的方法，对梁柱节点、柱底　节点均采用半刚性的假定，进而对梁柱式框架的抗　侧力性能进行理论分析．同时，开展螺栓连接木结构　框架结构、梁柱节点的抗侧、抗弯试验，研究半刚性　框架、节点的传力机理和破坏模式．最后，基于获得　的试验数据对本文推导的理论公式进行验证．　１　半刚性框架抗侧力理论分析　半刚性框架的力学计算模型可以按图１简化，　图中：Ｌ为框架跨度；Ｈ为框架高度；Ｅｂ、Ｅ　为梁、柱　构件顺纹弹性模量；　为梁、柱截面的惯性矩；　Ｋ　为柱底节点的转动刚度；Ｋ讪为梁柱节点的转动　刚度．不考虑竖向荷载，结构在水平力Ｆ作用下的弯　矩示意图如图２所示．　图１半刚性框架力学计算模型　Ｆｉｇ．１　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｍｉ－ｒｉｇｉｄ　ｆｒａｍｅ　图２侧向力作用下的弯矩示意图　Ｆｉｇ．２　Ｍｏｍｅｎｔ　ｄｉａｇｒａｍ　ｕｎｄｅｒ　ｌａｔｅｒａｌ　ｆｏｒｃｅ　图中梁柱节点的弯矩为Ｍｂ，柱底节点的弯矩为　一　Ｈ—Ｍｈ　（１）　Ｆｉｇ．３　Ｆｒｅｅ　ｂｏｄｙ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｌｕｍｎ　柱上弯矩以框架内侧受拉为正，司以表不为　Ｍ（　）一一（　ＦＨ—Ｍｂ）＋　Ｆ　—Ｍｂ一·Ｆｚ＋Ｆ　（２）　不考虑柱剪切变形的影响，柱上任一微端Ｙ处　（Ｏ≤　≤Ｈ）的曲率　（　）为　（　）一　（３）　将式（２）代人式（３）中，则柱曲率表示为　（　）＝＝＝　＿＿（Ｍｂ一　Ｈ＋　Ｆ　）　（４）　式（４）积分后可以得到柱转角、柱挠度的表达　Ｏ（ｙ）一豇１［（Ｍｂ一　Ｈ）　＋　Ｖ．ｙ２　Ａ１（５）　）一　１［丢（Ｍｂ一　Ｈ）　ｑ　Ｆ　３］＋　Ａ１Ｙ＋Ａ２　（６）　柱底处　一。　，转角　。　：：：掣，挠　度　（０）一０．分别代入式（５）和式（６）中，计算可得　Ｈ—Ｍｂ　Ａ１一　＝＿’Ａｚ　·　因此，式（５）和式（６）可以更新为　一矗［（Ｍｈ一詈Ｈ）　＋　ｚ卜　ｙＨ　－Ｍ￣　（７）　一矗［专（舰一专Ｈ）　。卜　Ｈ—Ｍｈ　一３，　（８　单独将梁作为隔离体分析，如图４所示，同理可　以得到粱转角和挠度的表达，如式（９）、式（１Ｏ）所示．　第８期　刘应扬，等：半刚性连接粱柱式木结构抗侧力性能研究　Ⅲ）　％　，　Ｌ　Ｈ）一ｆｌ（ｏ）＋　（１２）　：：　：：　：　将式（…　７）、…式（９）代人式（１２），　～　。可解得　……　】　】　图４梁隔离体计算图　Ｍｂ—　｛　Ｆ　（１３）　ｎｇ．４№　ｄｉａｇｒ瞰ｏ‰　去＋赢＋忐＋忐　ｘ）＝２　１ＭｂＬ（９）　…一１（　（Ｍｂｘ　吉　Ｍ　Ｍｂ　ｂ：＝＝一１　，号争。）一　耋窘１丢＋去＋　＋　赤２　丢矗　ｋ　㈣，结果蓑笑　茬苎　在柱顶（．），一Ｈ）和梁端（ｚ一０），根据变形协调，　点的转角和挠度．结构在侧向力作用下的位移，可以　可以得到　表达为柱顶的挠度的绝对值，即　△一１（１　１　１　１　．　Ｆ　５　去＋赢＋　Ｌ２ｃ　ｂ２ｂ　∞＿，ｃ　＾　＋　ｂ，　　熏瓣　寺　（１６）　的线刚度和梁柱、柱底节点的抗弯刚度共同决定，节　其中，当　，　一。。且　＇ｂ一。。时，Ｍｂ—Ｔ＿丁２ｉｃ　·　点的半刚性特性直接影响结构的抗侧力性能．为简　ｉ　’６　Ｋ一叩刍　（１７）　旦Ｆ＇Ｍｃ一鼙旦Ｆ，与柱底冈ＪＩ接　冈ＩＪ接框架　舯　一１２　（６＋～ａ＋６７＋　２６ｌｆ　Ｔ）　耀警　为一的设计参数；ａ一　为柱与梁的线刚度比、　二致；当Ｋ　一∞且Ｋ　一。时，Ｍ　一。，Ｍ　一譬Ｆ，　／ｋ　￣Ｋ：．ｃ：为柱底节点与梁柱节点的转动刚度比、ｙ一惫　与柱底刚接、梁柱铰接框架的内力表达一致．　为柱线刚度与柱底节点转动刚度之比；寺为柱子的　２　螺栓连接木框架抗侧力性能试验　柱子的尺寸和截面信息，结合结构的抗侧刚度需求，　２．１试验概况　共设计３榀单层单跨梁柱式木框架足尺试件，　通过调整参数　来确定梁和节点的设计信息．　跨度均为４　１１０　ｍｍ，高度均为２　７４０　ｍｍ，跨高比为　为验证理论推导的正确性，分别令梁柱、柱底节　３：２．梁截面为２８０　ｍｍ×１８０　ｍｍ、柱截面为２８０　点的刚度趋于０或∞，得到框架内力的计算结果，并　ｍｍＸ２３０　ｍｍ，材料均采用层板胶合木，木材均为加　与结构力学计算结果相比较．　拿大进口的云杉一松一冷杉规格材，材质等级为ＩＩ　嗣济人　：　报（ｎ然科学版）　Ｉ（；卷　级，由苏州皇家整体住宅系统股份有限公司进行胶　的　部托坏．安装在龙门架【　的钢滚轴刚于　制试　Ｊ　８个Ｍ２２螺　合，胶合后的强度等级为ＴＣ１１Ａ，通过材性试验”ｌ　什平面外的变形．柱底钢板与地梁采』ｔｌ阿　＝＝＝＝＝＝＝＝＝二＝＝＝＝　栓连接．地梁卜ｊ实验　水泥台座牢Ｉ川吉Ｉ定．　得到木材的顺纹受』　弹性模量为【）５　ｌ２　ＭＰａ、横纹受　压弹性模量为３３４　ＭＰａ．梁柱节点、柱脚节点均采Ｊｊ　Ｊ　单洲加载制度和低川反复ＪＪｆ１裁制度．分刖参考　　材料与试验协会（ＡＳＴＭ）的Ｅ５６　｛　平１１　螺栓一钢插板做法，ｌ】￡中螺栓采川６．８级普通螺栓、　关Ｉ６ｌ】　，采　位移控制加载．试件载力下降至＿ｆ歧限　直径１４　ｍＦ［１．钢板采州Ｑ２３５钢、厚度ｌＯ　ｒａｎ１．试件　Ｅ２】２　示意及节点详见图５．　梁柱似架爪意　合术柱　１　ｌ　１　１　～　’　●●●●　●●●●　●●●●　／．．．．　一１０１１１１１１／　钢捅板　／　２ｇＯｘ２３Ｏ　——　胶合木柱　１８（）　ｈ　ｆ】：底　点　ｌ制　０　ｆＥ　，　ｔＬ　图５梁柱框架示意及节点详图（单位：ｍｍ）　Ｆｉｇ．５　Ｌａｙｏｕｔｓ　ｏｆ　ｔｉｍｂｅｒ　ｆｒａｍｅ　ａｎｄ　ｊｏｉｎｔｓ（Ｕｎｉｔ：ｍｍ）　试验在同济大学：Ｅ小　［程防灾　家重点实验室　进行，采州申克加载系统进行单洲ｌ卡Ｉ１低周反复力ｆｌ载，　如冈６所尔．中兜机施加推力时，通过左侧钢板　接　传力到试件；施加拉力时．先通过钢拉杆传力至右侧　钢板．冉南　侧钢板传力到试件，从而避免试件节点　图６梁柱框架试验加载装置示意　Ｆｉｇ．６　Ｔｅｓｔ　ｓｅｔｕｐ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｉｍｂｅｒ　ｆｒａｍｅ　荷裁的８（）　时或结构侧向位移达刮２５Ｏ．０　ｎｌｒ　Ｌ　ｎｌ（层　问位移角约为１　１】．结构　不宜继续，Ｒ载）时．试验　终止．　２．２试验现象及破坏模式　本文以低刷反复试验的』ＪｌＩ载过　，对试验现象　及破坏模式进行说明．试验中随着侧向位移的增加．　梁丰｛：节点表　为局部顶紧．存侧向位移７ＪＩｌ载　５【）　ｍｍ（１，／５５位移　）时．佳底　点首允…脱了裂缝：梁　端小材　侧向位移约为１对　斟　　００　ｒｎｎ１（１／＇２７位移角）时．　也发生了劈裂．　后续的试验　ｆ１．卡ｌ＝底ｆ１１梁端的小材　裂缝继续斤腱。　７．但结构的７贰载了Ｊ并没有　著　Ｆ降，试验在达到位移失效限值９５０　ｎｌｎ１（１　１　１　ｆ　移　角）时终止．　ａ梁性框　整体　竖彤硬破坏　意　ｈ柑　底　做坷、　ｈｉ况　ｃ　ｆｌ‘１　做坏　眦　图７梁柱框架破坏模式　Ｆｉｇ．７　Ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｏｄｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｉｍｂｅｒ　ｆｒａｍｅ　纯框架结构体系　试验叶ｌ表现¨Ｉ．．弱节点、灶构　件”的破坏模式．这是　为当结构受到侧向茼载时．　半刚性的节点承受一定的弯　．从　他节点处小材　ｆＩＩ现横纹托应力和顺纹剪应力：而　点Ｉ　域的顶紧．　导致小材局部的心力集巾．增大Ｉ，横纹托　力和顺　纹剪应力，而这　荇也是小材材性ｔｆｔ最薄弱的环节．　此导致节点处的过　开裂破坏．　试验后对　点　域进　／－了拆解．发现螺柃杆均ｆｆ｛现了　ｎ１１屈服．部　分螺栓杆共至ｆｆｊ现了弯曲折断．说『ｊ月螺栓　结构受　到往复力时提供了能　消耗．　虽然纯框架结构体系表现ｆＩＩ　Ｉ，节点Ｉｘ：域过　的　笫８期　扬．等：、　川　连接粱杜式小　构抗侧，Ｊ性能研究　劈裂破坏，但是整体结构的变形能力很强．』ｆ：术…观　的弯『Ｈ｛变彤．在　钢板的承Ｊ　处…现＿ｒ～一个　性铰．　承载力的急剧下降和倒塌现象．　塑性铰以外的邴分堪本刚ｆｌＩ＝．同时ｒｆ１＿Ｊ　螺栓的弯曲　变肜．　＿小构件的外表面及与钢板接触的『』、】　【　邯　…现＿ｒ小材瓜瓜破坏．值得注：蓉的赴．小梁的受托＃－ｆｆ　受　ｆ！Ｊ！ｌＪ螺柃的　ｆ¨１程度　１木孔的承　破坏程度吩　相　．受幢侧的破坏更』Ｊｌｌ明　．这是　为　受　ｆＩｆ！Ｉｊ．　３　梁柱螺栓连接节点抗弯性能试验　３．１试验概况　梁柱节点采』｛｛与第２　１Ｈ）－ｌｆ１艇架　点相川的设　梁拄之问的乐　分　了部分倚载；　挤　处，小¨ｆ　计，木材、螺栓、钢板的材料和规格也均保持一致，节　也…观了Ｊ　破坏．　点详罔如ｌ皋１　５ｃ所示．共设计５个梁柱节点　』　构　件，３个为单凋加载，２个为低周反复加载．　试验在同济大学木结构试验室进行．加裁装　采川双通道电液伺服加载系统．为便于肌载．将胶合　木柱水平　定于加载梁一Ｉ　，通过作动器　梁端施加　水平荷载，试验加载如Ｉ皋Ｉ　８所永．　、　裂情况　Ｉ１螺　坚　图９梁柱节点破坏模式　Ｆｉｇ．９　Ｆａｉｌｕｒｅ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｌ＇ａｍｅ　ｊｏｉｎｔ　４半刚性框架抗侧力性能计算　图８梁柱节点试验加载装置示意　Ｆｉｇ．８　Ｔｅｓｔ　ｓｅｔｕｐ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｉ＇ａｍｅ　ｊｏｉｎｔ　通过试验研究．获得了梁柱框架的抗侧力位移一　荷载ｆｆ『１线，以及梁拄节点转角弯矩『¨１线．　【１所示．ｊ｜要力学性能参数　表１．　１０千¨　单ｉＩ爿加载制度参号ＡＳｑ、Ｍ　Ｄ１　７６ｌ。。　，低周反复　坫ｆ之前推导的理沦公式，结合试验确定的梁　加载制度参考ＡＳＴＭ　Ｅ２　Ｉ２６巾方法Ｌ、给出的　柱节点的力学性能．本节拟埘半刚性　架的全过　ＣＵＲＥＥ加载制度　！　．　点所承受的弯矩等于小梁　力一位移　系进行¨‘算，见图ｌ２，　‘ｊ　架试验结果　端部的水平力与加载点至螺栓群Ｉ　最终，得到构件的转角一弯矩『¨１线．　３．２试验现象及破坏模式　本文以低周反复试验的加载过程．对试验现象　及破坏模式进行说明．试验开始后断续ｆｆｊ现由于组　件之间的错动和术梁柱之间挤压造成的噼啪声．当　梁柱相对转角达到６。左右时，木梁ｔ开始ｆＩＩ现裂缝．　距离的乘积，　进ｆ－ｉ－ｘ，？比．验证本文理论研究的合理性与实川性．　降…１　数　为节点半刚性特性的表达．梁　节　点的半刚性特性通过本文试验结果的平均『ｌｌｌ线确　定．柱底常点的半川性特性通过有限丸数值模拟确　并伴随着巨大的术材开裂声．这些裂缝通常首先在　受拉侧外排螺栓处出现，同时受压侧外排螺栓处也　出现裂缝．节点【ｘ＝域木材酋‘先从螺栓孔附近，Ｆ裂．随　变形加大沿木纹向木梁与柱接触端逐渐扩展．最终．　南于木材的横纹受拉和顺纹受剪共同作用，节点的　裂缝主要表现为顺纹劈裂．伴随有少量的列剪切破　坏模式，见罔９ａ．　拆开木构件，见　９ｈ，可以发现，木柱上的螺栓　变形很小，几乎没有弯曲；术梁上的螺栓甘ｊ现了明显　图１（１梁柱框架试验结果　Ｆｉｇ．１　ｌＩ　Ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｉｍｂｅｒ　ｆｒａｍｅｓ　同济大学学报（自然科学版）　第４６卷　图ｎ梁柱节点试验结果　Ｆｉｇ．１１　Ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｒａｍｅｊｏｉｎｔｓ　表１试件主要力学性能参数　Ｔａｂ．１　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　图１２节点受力状态和结构位移的对应关系　Ｆｉｇ．１２　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｊｏｉｎｔ　ｐｅｒｆｏｒｎｌａｎｃｅ　ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｌａｔｅｒａｌ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　定［１　，ｇｂ、ｇ　的函数曲线如图１３所示．结构全过程　力一位移关系函数厂的计算方法，可以通过以下计算　步骤确定．　图１３　ｇｂ、ｇ　函数曲线　Ｆｉｇ．１３　Ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ｆｏｒ　ｇｂ　ａｎｄ　ｇ　白　Ｆ一　¨　搏　（１）定义结构的初始状态　定义结构的初始状态：位移为△０、结构受力为　Ｆ０、柱底节点转角为　。，。和梁柱节点转角为　．ｏ，通　常初始状态下结构的位移和受力均为０．　根据函数ｇ（对函数ｇ求导，即根据函数曲线得　到该点处的斜率），确定节点在转角　，Ｒ　，　，　ｏ、　，ｏ时的转　动刚度Ｋ。．。、Ｋ　．。．由梁、柱尺寸和截面信息，得到线　刚度ｉ　、ｉｂ，结合该状态下节点的转动刚度Ｋ　，。和　Ｋ　．。，通过式（１６）计算得到该状态下结构的抗侧刚　、●，●　，Ｉ，●●●Ｊ＾』　　一　度Ｋ　ｌｏ．　Ｆ　ｆＩ　（２）定义结构基本增量　取柱底节点的转角增量作为结构的基本增量，　为ｄ　．　（３）计算结构其他增量　当增量足够小时，柱底节点的弯矩增量可以按　ｄＭｃ—ｄ９。Ｋ刚计算．设结构受力的增量为ｄＦ，则梁　柱节点的弯矩增量仍可按式（１）计算，即　ｄＭｂ—ＨｄＦ—ｄＭｃ　（１８）　梁端、柱底节点的转角增量仍满足变形协调，式　（１２）对增量仍然适用．代入后联立方程，可得到ｄＦ、　ｄＭｂ的求解．此时可以计算梁柱节点的转角增量为　ｄｇｂ＝　，结构的位移增量为ｄＡ一　．　』　ｂ．０　』　ｓ．０　（４）确定结构的下一状态　结构经历增量后达到下一状态，位移△　一Ａ。＋　ｄ△，结构受力Ｆ　一Ｆｏ＋ｄＦ，柱底节点转角　，　＝＝＝　。，。＋ｄ　，梁柱节点转角　，　一　，。＋ｄｃｉｆｂ．该状态下，　节点的刚度可根据函数ｇ在　，　，　处切线斜率得　到，即Ｋ州，Ｋ　再根据式（１６）确定该状态下结构的　抗侧刚度Ｋ　．　（５）循环步骤（１）～（４）求解，得到结构的全过程　力一位移关系曲线，并获得节点受力状态和结构位移　的一一对应关系．采用柱底节点转角等增量（取　ｄ　。一２．４×１０＿“ｒａｄ），结合软件ＭＡＴＬＡＢ计算得　到框架结构的全过程力一位移关系曲线，与木结构框　架试验结果对比，见图１４．　从图ｌ４中可以看出，理论计算曲线与试验曲线　有较好的吻合程度，理论计算曲线的刚度略低于试　验结果，这是因为试验中设置的钢拉杆系统导致的，　加载钢板在一定程度上限制了梁柱节点的开裂，延　缓了结构刚度的退化．试验中，框架在加载至２５０　ｍｍ侧移时，由于位移较大而终止了试验，从理论计　算结果中可以看出，在２５０　ｍｉｌｌ之后框架仍能维持　其承载力至较大的位移，这与第２节试验终止前的　第８期　刘应扬，等：半刚性连接梁柱式木结构抗侧力性能研究　１０１７　～Ｒ　现象具有相互印证之处．　图１４理论计算曲线与试验曲线对比　Ｆｉｇ．１４　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔ　在工程中可以预先进行节点试验或数值模拟研　究，确定节点的抗弯特性，而后通过本文推导的理论　公式来预估框架结构的刚度和承载力，从而进行半　刚性框架的抗侧力设计．　５结论　通过对半刚性连接梁柱式木结构的抗侧性能进　行了理论分析和试验研究，得到以下主要结论：　（１）节点连接假定为铰接，是当前木结构设计中　广泛采用的一种假定，但是，木结构节点具有一定的　半刚性能力，在框架结构中会承载一部分的弯矩，可　能会引起节点区域木材的开裂，甚至导致结构节点　的失效，因此，建议在设计中考虑节点的半刚性转动　能力．　（２）试验研究表明，螺栓一钢插板连接的木结构　节点，具有传递弯矩的能力，表现出明显的半刚性特　性；在框架试验中，结构表现出“弱节点、强构件”的　破坏模式，这是木结构不同于钢结构、钢筋混凝土结　构之处，在工程设计中应予以重视．　（３）基于本文理论分析，给出了确定半刚性框架　全过程力一位移关系的方法，在工程中可以预先进行　节点试验或数值模拟研究，确定节点的半刚性特性，　而后通过本文推导的理论公式来预估框架结构的抗　侧力性能．　参考文献：　ｒ　１］ＬＡＭ　Ｆ，ＧＥ蛐Ｌ０ＦＦ　Ｍ，ＣＬ０ＳＥＮ　Ｍ．Ｍｏｍｅｎｔ－ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｂｏｌｔｅｄ　ｉｔｍｂｅｒ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ，２０１０，１６３　（４）：２６７．　［２］王明谦，宋晓滨，顾祥林，等．胶合木梁柱螺栓一钢填板节点转　动性能研究ｌ＇Ｊ＇１．建筑结构学报，２０１４，３５（９）：１４１．　ＷＡＮＧ　Ｍｉｎｇｑｉａｎ，Ｓ０ＮＧ　Ｘｉａ０ｂｉｎ，ＧＵ　Ｘｉａｎｇｌｉ，ｅｔ　ａ１．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｂｏｌｔｅｄ　ｇｌｕｌａｍ　ｂｅａｍ－ｔｏ－ｃｏｌｕｍｎ　ｃｏｎｎｅｃｉｔｏｎｓ　ｗｉｔｈ　ｓｌｏｔｔｅｄ－ｉｎ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１４，３５（９）：１４１．　［３］姚侃，赵鸿铁，葛鸿鹏．古建木结构榫卯连接特性的试验研究　，ｌＪ－１．工程力学，２００６，２３（１０）：１６８．　ＹＡ０　Ｋａｎ，ＺＨＡＯ　Ｈｏｎｇｔｉｅ，ＧＥ　Ｈｏｎｇｐｅｎｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｎ也ｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｍｏｒｔｉｓｅ．ｔｅｎｏｎ　ｊｏｉｎｔ　ｉｎ　ｈｉｓｔｏｒｉｃ　ｔｉｍｂｅｒ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ　ＦＪ＇１．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００６，２３（１０）：１６８．　［４］熊海贝，刘应扬，杨春梅，等．梁柱式胶合木结构体系抗侧力性　能试验［Ｊ］．同济大学学报（自然科学版），２０１４，４２（８）：１１６７．　Ｘ１０ｌＮＧ　Ｈａｉｅｂｉ，ＬＩＵ　Ｙｉｎｇｙａｎｇ，　ＹＡＮＧ　Ｃｈｕｎｍｅｉ，　ｅｔ　ａ１．　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｌａｔｅｒａｌ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｇｌｕｅｄ－ｌａｍｉｎａｔｅｄ　ｔｉｍｂｅｒ　ｐｅｓｔ　ａｎｄ　ｂｅａｍ　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｏｎ￣ｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｒｕａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ），２０１４，４２（８）：１１６７．　［５］张一舟．半刚性多层钢框架受力性能和设计方法研究［Ｄ］．北　京：清华大学，２００６．　ＺＨＡＮＧ　Ｙｉｚｈｏｕ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｓｔｏｒｙ　ｓｅｍｉｒｉｇｉｄ　ｓｔｅｅｌ　ｆｒａｍｅ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｔｓｉｎｇｈｎａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００６．　［６］舒赣平，刘伟，陈绍礼．半刚性钢框架的直接分析方法理论研　究［Ｊ］．建筑结构学报，２０１４，３５（８）：１４２．　ＳＨＵ　Ｇａｎｐｉｎｇ，ＬＩＵ　Ｗｅｉ，ＣＨＥＮ　Ｓｈａｏｌｉ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｄｉｒｅｃｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｓｅｍｉ．ｒｉｇｉｄ　ｓｔｅｅｌ　ｆｒａｍｅｓ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０１４，３５（８）：１４２．　［７］郭兵，陈爱国．半刚接钢框架的有限元分析及性能探讨ｌ－Ｊ］．　建筑结构学报，２００１，２２（５）：４８．　ＧＵ０　Ｂｉｎｇ，ＣＨＥＮ　Ａｉｇｕｏ．Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ｓｅｍｉ－ｒｉｇｉｄ　ｓｔｅｅｌ　ｆｒａｍｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒａｎｌ　ｏｆ　Ｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，　２００１，２２（５）：４８．　［８］王燕，李华军，厉见芬．半刚性梁柱节点连接的初始刚度和结　构内力分析口］．工程力学，２００３，２０（６）：６５．　ＷＡＮＧ　Ｙａｎ，ＬＩ　Ｈｕａｊｕｎ，ＬＩ　Ｊｉａｎｆｅｎ．Ｉｎｉｔｉａｌ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｓｅｍｉ—　ｒｉｇｉｄ　ｂｅａｍ－ｔｏ－ｃｏｌｕｍｎ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆｏｒｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｉ－Ｊ］．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００３，２０（６）：６５．　ｒ　９］　Ｚ０ＮＴＡ　Ｄ，【ｏＳＳ　Ｃ，ＰＩＡＺＺＡ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｄｉｒｅｃｔ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ－　ｂａｓｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｇｌｕｌａｍ　ｔｉｍｂｅｒ　ｆｒａｍｅ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１１，１５（３）：４９１．　［１Ｏ］刘应扬．半刚性连接梁柱式木结构抗侧力性能与设计方法研　究Ｉ－Ｄ］．上海：同济大学，２０１６．　ＬＩＵ　Ｙｉｎｇｙａｎｇ．Ｌａｔｅｒａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｓｅｍｉ－ｒｉｇｉｄ　ｔｉｍｂｅｒ　ｐｏｓｔ　ａｎｄ　ｂｅａｍ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ［Ｄ］．　Ｓｈａｎｇｈａｉ：Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１６．　ｒｌ１］ＡＳＴＭ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１．Ｓｔａｎｄａｒｄ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｆｏｒ　ｓｔａｔｉｃ　ｌｏａｄ　ｔｅｓｔ　ｆｏｒ　ｓｈｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｆｒａｍｅｄ　ｗａｌｌｓ　ｆｏｒ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ：ＡｓＴＭ　Ｅ５６４—０６　Ｅｓ］．Ｗｅｓｔ　Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ：　、ＴＭ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０１２．　ｒ１２］　、ＴＭ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ１．　Ｓｔａｎｄａｒｄ　ｔｅｓｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｃｙｃｌｉｃ　（ｒｅｖｅｒｓｅｄ）ｌｏａｄ　ｔｅｓｔ　ｆｏｒ　ｓｈｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｖｅｒｔｉｃａｌ　ｅｌｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌａｔｅｒａｌ　ｆｏｒｃｅ　ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆｏｒ　ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ：ＡｓＴＭ　Ｅ２１２６一　ｌｌ　ＥＳ］．ｗｅｓｔ　Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ：ＡＳＴＭ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２０１２．　－１１３］ＡｓＴＭ　Ｉｎｔｅｒａｎｔｉｏｎａ１．Ｓｔａｎｄａｒｄ　ｔｅｓｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｍｅｃｈａｎｉａｃｌ　ｆａｓｔｅｎｅｒｓ　ｉｎ　ｗｏｏｄ：　；ＴＭ　Ｄ１７６１—０６　ｒｓ］．Ｗｅｓｔ　Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ：　ＡｓＴＭ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ。２０１２．　［１４］赵艺．胶合木螺栓群连接节点抗弯承载力性能研究与改进　［Ｄ］．上海：同济大学，２０１６．　Ｚ】　Ｙｉ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｍｏｍｅｎｔ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｇｌｕｌａｍ　ｍｕｌｉｔｐｌｅ　ｂｏｌｔｅｄ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｐｏｓｔ－ａｎｄ－ｂｅａｍ　ｔｉｍｂｅｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ［Ｄ］．Ｓｈａｎｇｈａｉ：Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１６．