木结构梁柱榫卯节点抗拔性能试验研究★

袁玉宝,杜世光

(贵州民族大学人文科技学院，贵州 贵阳 550025)

木结构梁柱间一般采用榫卯节点连接。榫卯节点由榫头和卯孔组成，榫头是凸出的部分，卯孔是与榫头连接的部件上的凹进部分，两者相互接触，共同抵抗外荷载[1]。当出现地震荷载时，榫卯节点会出现水平错动，具有“大位移，小内力”的特点[2]。地震荷载过大时，榫头会拔出，卯口会挤压变形。由此可见，研究榫卯节点的抗拔性能具有重要的意义[3-7]。

1 试验设计

1.1 木材的物理力学性质

作为一种天然的建筑材料，木材在纵向(L向)、径向(R向)、弦向(T向)的力学性能各不相同，即木材的各项异性。以杉木为例,其物理力学性能参数[8]如表1所示。

表1 杉木的物理力学性能

1.2 物理模型及有限元模型

梁柱榫卯节点的柱径为300 mm，梁高为300 mm，梁宽为150 mm，榫头为100 mm。直榫和燕尾榫的几何尺寸如图1所示。

梁柱采用Solid185实体单元。梁柱间接触采用Target170单元和Contact174单元，Target170单元表示目标面，Contact174单元表示接触面。

考虑模型关于X对称，建立1/2有限元模型(如图2，图3所示)，施加对称约束。求解分析考虑2个荷载步，第1荷载步为榫头与卯口过盈接触时的应力。第2荷载步为榫头从卯口拔出时的接触应力。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

2.1.1 过盈接触

第1荷载步，燕尾榫过盈接触等效应力云图如图4所示。

由图4可知，最大接触应力为0.966×10-2Pa，可以忽略不计。直榫过盈接触的应力计算无法收敛。综上所述，榫卯节点不考虑过盈接触。

2.1.2 拔榫接触

直榫无过盈接触。其拔榫接触过程(第1荷载步)共有33个荷载子步。取第5，10，15，20，25，30，33荷载子步的位移、等效应力、摩擦应力见表2。

表2 直榫拔榫接触的位移和应力

燕尾榫拔榫接触过程(第2荷载步)共177子步，取第25，50，75，100，125，150，177荷载子步的位移、等效应力、摩擦应力见表3。

表3 燕尾榫拔榫接触应力和位移

直榫第33荷载子步、燕尾榫第177荷载子步的等效应力云图如图5，图6所示，摩擦应力云图见图7，图8。

2.2 试验结果分析

绘制直榫拔榫过程的位移、应力随荷载子步的变化规律曲线如图9,图10所示。

由图9，图10知，直榫拔榫过程中，在荷载子步的前半段，位移不增长，等效应力保持不变；但在荷载子步的后半段，位移快速增长，等效应力快速下降。在整个拔榫过程中，摩擦应力几乎不变，摩擦应力约为等效应力的1/25。

绘制燕尾榫拔榫过程的位移、应力随荷载子步的变化规律曲线如图11,图12所示。

由图11，图12知，燕尾榫拔榫过程中，位移随荷载子步呈线性增长，等效应力在一定范围内波动，摩擦应力几乎不变，摩擦应力约为等效应力的1/25。

3 结论

1)直榫在拔榫过程的荷载子步前半段，位移和应力基本恒定；荷载子步后半段，位移快速增长，等效应力快速下降。

2)燕尾榫在拔榫过程中，位移随荷载子步呈线性增长，等效应力在一定范围内波动。相比直榫，燕尾榫在拔榫过程中受荷更加均匀。

3)拔榫过程中，直榫和燕尾榫的摩擦应力均约为等效应力的1/25。