CN111811964B - 一种木结构榫卯节点加载测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种木结构榫卯节点加载测试装置，包括榫卯节点固定装置和万能力学试验机的加载头；榫卯节点固定装置包括立柱固定夹具和枋端固定夹具；立柱固定夹具包括底座，底座上表面设有若干安装槽，安装槽内设有垂直于底座的纵向钢板，纵向钢板包括平行设置的纵向钢板I和纵向钢板II，纵向钢板I和纵向钢板II的上端焊接有横向钢板I，横向钢板I与底座之间放置有待测榫卯节点；待测榫卯节点与横向钢板I之间设有千斤顶，千斤顶上设有调节杆；加载头设置在枋端固定夹具上端，加载头电连接有控制装置；本发明还用开了一种木结构榫卯节点加载测试方法。本发明适用于木结构榫卯节点缩尺模型，加载方式简单，循环方式可控，测试快速便捷。

Description

一种木结构榫卯节点加载测试装置及方法

技术领域

本发明涉及木结构建筑技术领域，尤其涉及一种木结构榫卯节点加载测试装置及方法。

背景技术

中国古建筑在岁月的长河中历经各种无法避免的自然灾害，台风，虫蛀，腐朽等，其中对木结构建筑最为普遍的一种严重自然灾害是地震，各种震害的触目惊心让人们担忧。古往今来对于古建筑榫卯节点的加载试验研究是大量学者研究的重点，尤其是针对榫卯节点在循环模拟地震波作用下的各项力学性能指标的分析研究。

CN104215196A公开了一种适用于古建筑结构变形的长期监测预警方法，具体公开了采用光纤光栅应变传感器(FBG)和改进共轭梁法(ICBM)对木梁挠度变形进行监测；利用伸缩式光纤光栅位移计对梁柱脱榫进行监测；利用光纤光栅倾角仪对柱水平倾斜进行监测；采用环氧树脂配合铁架和支座的方法将上述测量传感器粘贴固定在待测结构。

CN108331194A公开了一种内含节点加固与抗震阻尼装置的耗能雀替，具体公开了：包括软钢耗能器、雀替式饰面板、金属限位子母挂扣、金属紧固件以及金属连接件。

CN110658130A公开了榫接合节点摩擦系数的测量装置及方法，具体公开了一种榫接合节点摩擦系数的测量装置，其特征在于：包括底板、钢丝绳、配重、试件槽、转向机构和用于连接力学试验机的试验机接口，底板的一端设有转向机构，底板的另一端设有用于容纳待测试件的试件槽，配重设于待测试件上，钢丝绳的一端连接待测试件，钢丝绳的另一端绕过转向机构连接试验机接口。

但上述技术以及其他现有技术多针对木建筑整体结构的长期变形进行检测，此种方式针对单个榫卯节点的研究不适用，且试验周期长；或利用大型液压设备对榫卯节点进行加载测试，但该种方法加载力过大，无法精准获得榫卯节点力学性能变化规律及变形特性。因此，对于木结构榫卯节点循环加载测试设计一种夹具，寻求一种适用科学研究榫卯节点，且针对性强的测试方法是非常有必要的。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种木结构榫卯节点加载测试装置及方法。

本发明的一种木结构榫卯节点加载测试装置及方法是通过以下技术方案实现的：

一种木结构榫卯节点加载测试装置，包括榫卯节点固定装置和万能力学试验机的加载头；

所述榫卯节点固定装置包括立柱固定夹具和枋端固定夹具；

所述立柱固定夹具包括底座，所述底座上表面设有若干安装槽，所述安装槽内可拆卸安装有垂直于所述底座的纵向钢板，所述纵向钢板包括平行设置的纵向钢板I和纵向钢板II，所述纵向钢板I和纵向钢板II的上端均以90度边界处焊接有横向钢板I，所述横向钢板I与所述底座之间放置有待测榫卯节点；所述待测榫卯节点与所述横向钢板I之间设有千斤顶，所述千斤顶上设有用于调节所述千斤顶高度的调节杆；

所述万能力学试验机的加载头设置在所述枋端固定夹具上端，所述万能力学试验机的加载头电连接有控制装置。

进一步地，所述枋端固定夹具包括横向钢板II，所述横向钢板II四周均匀设有若干个螺纹孔I，每个所述螺纹孔I内螺纹连接有螺杆，所述螺杆上端螺纹连接有横向钢板III，所述横向钢板III与所述万能力学试验机的加载头螺纹连接。

进一步地，所述万能力学试验机的加载头下端固定连接有N型连接件，所述N型连接件的两侧均设有若干定位孔I；

所述横向钢板III上端两侧均焊接有钢板连接件，所述钢板连接件上设有若干与所述定位孔I相匹配的定位孔II；

穿过所述定位孔I和所述定位孔II设有螺栓I，所述螺栓I上还设有固定螺母I，通过所述定位孔I，定位孔II，螺栓I和固定螺母I实现了所述横向钢板III与所述万能力学试验机的加载头的螺纹连接。

进一步地，所述待测榫卯节点的枋端上还设有位移传感器，所述位移传感器与所述控制装置电连接。

进一步地，所述底座上还设有若干安装孔I，所述安装孔I设置在所述安装槽两侧；

所述纵向钢板I和纵向钢板II远离所述待测榫卯节点一侧均焊接有安装板，所述安装板上设有与所述安装孔I相应的安装孔II，穿过所述安装孔I和安装孔II设有螺栓II。

进一步地，所述纵向钢板I和纵向钢板II上均设有若干定位孔III，所述定位孔III内螺纹连接有螺栓III，所述螺栓III上还设有固定螺母II。

进一步地，所述安装槽内设有若干螺纹孔II，所述螺纹孔II内螺纹连接有用于固定所述待测榫卯节点的柱脚螺栓。

进一步地，所述万能力学试验机的加载头为内置有数据输送模块和力学感应装置的加载头。

进一步地，所述控制装置为内置有万能力学试验机软件的电脑，所述万能力学试验机软件能自动记录力-位移数值及变化规律。

一种木结构榫卯节点加载测试方法，包括以下步骤：

步骤1，制作待测木结构榫卯节点；

步骤2，根据步骤1所制作的待测木结构榫卯节点尺寸，设计相应的立柱固定夹具的尺寸，从而制备纵向钢板I，纵向钢板II和横向钢板I；

步骤3，将纵向钢板I，纵向钢板II平行放置，并将横向钢板I以90度边界处分别与纵向钢板I，纵向钢板II进行焊接成为一体的立柱固定夹具；

步骤4，将步骤1得到的木结构榫卯节点固定在步骤3得到的立柱固定夹具内部；

步骤5，通过螺栓II将步骤4得到的安装有木结构榫卯节点的夹具固定在底座上；

步骤6，将木结构榫卯节点的枋端固定在实验加载装置中；

步骤7，将位移传感器安装到榫卯节点的枋端上；

步骤8，点击控制装置内置万能力学试验机软件的开始加载，循环加载试验即开始，电脑软件自动记录力-位移数值及变化规律。

本发明相对于现有技术而言具有以下有益效果：

1)本发明相较于液压控制榫卯节点的测试装置，使用更方便，经济，且试验设备占地面积小，操作简易；

2)与万能力学实验机的结合，使得很多实验室的万能力学试验机有了更多的使用可能性；

3)本发明适用于木结构榫卯节点缩尺模型，改进对榫卯节点繁琐的固定加载方式，使得循环方式变得可控，且试验数据的采集变得快速便捷。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明实施例1装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1装置的整体结构剖视图；

图3为本发明实施例1装置的内部结构剖视图；

图4为本发明实施例1安装板的结构放大图；

图5为本发明实施例1横向钢板II的结构放大图；

图6为本发明实施例2待测榫卯节点的结构示意图；

图7为本发明实施例2雀替的结构示意图；

图8为本发明实施例2安装板的结构示意图；

图9为本发明实施例2纵向钢板的结构示意图；。

图10为本发明实施例2横向钢板I的结构示意图；

图11为本发明实施例2横向钢板II的结构示意图；

图12为本发明实施例2中钢板连接件(左侧)和横向钢板III(右侧)的结构示意图；

图13为本发明实施例2中燕尾榫力-位移滞回曲线图；

图14为本发明实施例2中燕尾榫骨架曲线图；

图15为本发明实施例2中燕尾榫刚度退化曲线图；

图16为本发明实施例2中燕尾榫强度退化曲线图；

图17为本发明实施例2中燕尾榫等效黏滞阻尼系数—位移关系图；

图18为本发明实施例2中带雀替燕尾榫滞回曲线图；

图19为本发明实施例2中带雀替燕尾榫骨架曲线图；

图20为本发明实施例2中带雀替燕尾榫刚度退化曲线图；

图21为本发明实施例2中带雀替燕尾榫强度退化曲线图；

图22为本发明实施例2中带雀替燕尾榫等效黏滞阻尼系数—位移关系图；

其中：

1-榫卯节点固定装置，11-立柱固定夹具，111-底座，112-安装槽，113-纵向钢板，1131-纵向钢板I，1132-纵向钢板II，1133-安装板，1134-安装孔II，1135-螺栓II，1136-定位孔III，1137-螺栓III，1138-固定螺母II，114-横向钢板I，115-安装孔I，116-螺纹孔II，117-柱脚螺栓，12-枋端固定夹具，121-横向钢板II，122-螺纹孔I，123-螺杆，124-横向钢板III，125-钢板连接件，126-定位孔II；2-加载头；3-待测榫卯节点；4-千斤顶；5-控制装置；6-N型连接件，61-定位孔I，62-螺栓I，63-固定螺母I；7-位移传感器

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。本发明中未详细说明的结构或工作原理属于现有技术和本领域的公知常识，本技术领域的技术人员应当知晓。

实施例1

请参阅图1-5。本实施例提供一种木结构榫卯节点加载测试装置，包括榫卯节点固定装置1和万能力学试验机的加载头2；所述榫卯节点固定装置1包括立柱固定夹具11和枋端固定夹具12；所述立柱固定夹具11包括底座111，所述底座111上表面设有若干安装槽112，所述安装槽112内可拆卸安装有垂直于所述底座111的纵向钢板113，所述纵向钢板113包括平行设置的纵向钢板I1131和纵向钢板II1132，所述纵向钢板I1131和纵向钢板II1132的上端均以90度边界处焊接有横向钢板I114，所述横向钢板I114与所述底座111之间放置有待测榫卯节点3；所述待测榫卯节点3与所述横向钢板I114之间设有千斤顶4，所述千斤顶4上设有用于调节所述千斤顶高度的调节杆41；所述万能力学试验机的加载头2设置在所述枋端固定夹具12上端，所述万能力学试验机的加载头2电连接有控制装置5。

进一步地，所述枋端固定夹具12包括横向钢板II121，所述横向钢板II121四周均匀设有若干个螺纹孔I122，每个所述螺纹孔I122内螺纹连接有螺杆123，所述螺杆123上端螺纹连接有横向钢板III124，所述横向钢板III124与所述万能力学试验机的加载头2螺纹连接。

进一步地，所述万能力学试验机的加载头2下端固定连接有N型连接件6，所述N型连接件6的两侧均设有若干定位孔I61；所述横向钢板III124上端两侧均焊接有钢板连接件125，所述钢板连接件125上设有若干定位孔II126；穿过所述定位孔I61和所述定位孔II126设有螺栓62，所述螺栓62上还设有固定螺母63，通过所述定位孔I61，定位孔II126，螺栓62和固定螺母63实现了所述横向钢板III124与所述万能力学试验机的加载头2的螺纹连接。

进一步地，所述待测榫卯节点3的枋端上还设有位移传感器7，所述位移传感器7与所述控制装置5电连接。

进一步地，所述底座111上还设有若干安装孔I115，所述安装孔I115设置在所述安装槽112两侧；所述纵向钢板I1131和纵向钢板II1132远离所述待测榫卯节点3一侧均焊接有安装板1133，所述安装板1133上设有与所述安装孔I115相应的安装孔II1134，穿过所述安装孔I115和安装孔II1134设有安装螺栓1135。

进一步地，所述纵向钢板I1131和纵向钢板II1132上均设有若干定位孔III1136，所述定位孔III1136内螺纹连接有立柱固定螺杆III1137，所述立柱固定螺杆III1137上还设有固定螺母1138。

进一步地，所述安装槽112内设有若干螺纹孔II116，所述螺纹孔II116内螺纹连接有用于固定所述待测榫卯节点3的柱脚螺栓117。

进一步地，所述万能力学试验机的加载头2为内置有数据输送模块和力学感应装置的加载头，所述加载头2是连接在万能力学试验机上能在竖直方向上移动的位移装置上的，通过操控所述控制装置5实现对万能力学试验机上的位移装置进行控制。

进一步地，所述控制装置5为内置有万能力学试验机软件的电脑，所述万能力学试验机软件能自动记录力-位移数值及变化规律。

进一步地，所述位移传感器为拉线式位移传感器，所述拉线式位移传感器的线端，所述采用LEC150-10.5-04-C-5d1位移传感器。

实施例2

一种木结构榫卯节点加载测试方法，包括以下步骤：

步骤1，采用樟子松木材，木工师傅手工制作，根据宋《营造法式》三等材1:3.2缩尺比例的尺寸进行加工制作木结构榫卯节点；

步骤2，根据步骤1所制作的待测木结构榫卯节点尺寸，设计相应的立柱固定夹具的尺寸，从而制备纵向钢板I，纵向钢板II和横向钢板I；

步骤3，将纵向钢板I，纵向钢板I平行放置，并将横向钢板I以90度边界处分别与纵向钢板I，纵向钢板II进行焊接的立柱固定夹具；

步骤4，将步骤1得到的木结构榫卯节点固定在步骤3得到的立柱固定夹具内部；

步骤5，通过螺栓II将步骤4得到的安装有木结构榫卯节点的立柱固定夹具固定在底座上；

步骤6，根据实际情况调节螺杆，从而将木结构榫卯节点的枋端固定在枋端固定夹具的横向钢板II和横向钢板III之间；

步骤7，将在枋端距立柱200mm钉入小铁钉，将位移传感器的挂钩勾到铁钉，位移传感器底部通过磁铁的吸力固定到底座上面，并保持垂直；

步骤8，点击控制装置内置万能力学试验机软件的开始加载，然后输入的指令就会传递到所述万能力学试验机的加载头和加载头连接的能在竖直方向上移动的位移装置上，进而驱动加载头发生位移，加载头再带动枋端固定夹具发生位移，循环加载试验即开始，同时加载头内置有数据输送模块和力学感应装置，会将枋端的压力变化会通过力学感应装置感应和采集到并由数据输送模块传递到控制装置上，枋端位移变化通过位移传感器传递到控制装置上，且控制装置内置的万能力学试验机软件会自动记录力-位移数值及变化规律。

进一步地，所述万能力学试验机软件的程序根据国标ISO16670位移控制循环标准进行自编程，根据不同榫卯节点的极限荷载产生的极限位移计算循环程序内的位移控制量，编写不同的循环程序进行不同榫卯节点的循环加载试验。

实验部分

1.制作待测木结构榫卯节点

本发明采用樟子松木材，根据宋《营造法式》三等材1:3.2缩尺比例的尺寸，木工师傅手工进行加工制作待测木结构榫卯节点，所制作的待测木结构榫卯节点各部分的结构及尺寸如图1所示，然后将立柱和枋端进行组装成本发明待测榫卯节点。

为了方便测试，本发明还制作了如图2所示的雀替，然后将立柱和枋端进行组装成本发明作为对比的待测榫卯节点。

2.制作榫卯节点固定装置

根据上述所制作的待测木结构榫卯节点制作榫卯节点固定装置。

(1)立柱固定夹具的制作

如图8所示，安装板的尺寸为500×87，安装板上的孔径为25。

如图9所示，纵向钢板的尺寸为880×500，纵向钢板上的孔径为20；横向钢板的尺寸为500×350。

然后将安装板分别与纵向钢板I和纵向钢板II进行焊接，再将纵向钢板I，纵向钢板II平行放置，并将横向钢板I以90度边界处分别与纵向钢板I，纵向钢板II进行焊接成为一体的立柱固定夹具。

(2)枋端固定夹具的制作

本发明所使用的枋端固定夹具，其中：

横向钢板I的尺寸为340×300，横向钢板II上的孔径为20；

横向钢板III的尺寸为340×300，横向钢板III上的孔径为20；

横向钢板III的尺寸为300×40，横向钢板II上的孔径为25。

需要说明的是，上述所有钢板尺寸均为mm尺度，且所有钢板的厚度均为10mm。

3.程序的设置

本发明所使用的加载测试循环程序如表1所示，表中负值表示力学试验机向上运行，正值表示力学试验机向下运行。

本发明所使用的加载测试循环程序是在济南天辰试验机制造有限公司生产的型号为WDW-T100(最大试验力100KN)的微机控制电子万能试验机所配置的万能力学试验机软件直接进行设置的。

表1加载测试循环程序

4.实验结果

将所制作的待测木结构榫卯节点上述方法组装好后，固定在本发明的榫卯节点固定装置中，并按照上述所设置的加载测试程序进行实验。

(1)燕尾榫力-位移滞回曲线(如图13所示)和带雀替燕尾榫滞回曲线(图18所示)均呈现“z”型，并且有明显的捏缩效应，对比有雀替榫卯节点与无雀替榫卯节点的滞回曲线，可以明显的看出，有雀替滞回曲线面积较大，耗能较好，通过观察可发现，两组榫卯节点随着位移的增加。

(2)燕尾榫骨架曲线图(如图14所示)和带雀替燕尾榫骨架曲线图(图19所示)两组榫卯节点的骨架曲线均呈现上下不对称，存在明显的差异，但两组曲线都较平滑。

燕尾榫骨架曲线变化根据试验标准JGJ/T101-2015《建筑抗震试验规程》，即取荷载位移曲线的各级加载第一次循环的峰值点所连成的包络线。

(3)燕尾榫刚度退化曲线(如图13所示)和带雀替燕尾榫刚度退化曲线(如图18所示)刚度整体呈现下降的趋势。(4)燕尾榫强度退化曲线(如图16所示)和带雀替燕尾榫骨架曲线(如图21所示)均反映节点的强度系数随着节点的松动程度的增大而整体呈现减小的趋势。

(5)燕尾榫等效黏滞阻尼系数—位移关系(如图17所示)变化表明：耗能能力随着位移的增大逐渐减小的原因可能是普柏枋出现了纵向劈裂，卯口也出现局部的剪切破坏。

(6)带雀替燕尾榫等效黏滞阻尼系数—位移关系(如图22所示)变化表明：在加载初期耗能逐渐增加，说明雀替在起作用，增大了榫卯节点的耗能能力，在位移达到20mm之后，耗能逐渐降低，应该是雀替失去了拉结作用，导致榫卯节点的耗能能力逐渐下降。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供本技术领域的技术人员了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

Claims (7)

1.一种木结构榫卯节点加载测试装置，其特征在于，包括榫卯节点固定装置（1）和万能力学试验机的加载头（2）；

所述榫卯节点固定装置（1）包括立柱固定夹具（11）和枋端固定夹具（12）；

所述立柱固定夹具（11）包括底座(111)，所述底座(111)上表面设有若干安装槽(112)，所述安装槽(112)内可拆卸安装有垂直于所述底座(111)的纵向钢板（113），所述纵向钢板（113）包括平行设置的纵向钢板 I（1131）和纵向钢板 II（1132），所述纵向钢板 I（1131）和纵向钢板 II（1132）的上端均以90度边界处焊接有横向钢板I（114），所述横向钢板 I（114）与所述底座(111)之间放置有待测榫卯节点（3）；所述待测榫卯节点（3）与所述横向钢板 I（114）之间设有千斤顶（4），所述千斤顶（4）上设有用于调节所述千斤顶高度的调节杆；

所述万能力学试验机的加载头（2）设置在所述枋端固定夹具（12）上端，所述万能力学试验机的加载头（2）电连接有控制装置（5）；

所述枋端固定夹具（12）包括横向钢板 II（121），所述横向钢板II（121）四周均匀设有若干个螺纹孔I（122），每个所述螺纹孔 I（122）内螺纹连接有螺杆（123），所述螺杆（123）上端螺纹连接有横向钢板III（124），所述横向钢板III（124）与所述万能力学试验机的加载头（2）螺纹连接；

所述待测榫卯节点（3）的枋端上还设有位移传感器（7），所述位移传感器（7）与所述控制装置（5）电连接；

所述底座(111)上还设有若干安装孔I（115），所述安装孔I（115）设置在所述安装槽(112)两侧；

所述纵向钢板 I（1131）和纵向钢板 II（1132）远离所述待测榫卯节点（3）一侧均焊接有安装板（1133），所述安装板（1133）上设有与所述安装孔I（115）相应的安装孔 II（1134），穿过所述安装孔I（115）和安装孔II（1134）设有螺栓II（1135）。

2.如权利要求 1 所述的一种木结构榫卯节点加载测试装置，其特征在于，所述万能力学试验机的加载头（2）下端固定连接有 N 型连接件（6），所述 N 型连接件（6）的两侧均设有若干定位孔 I（61）；

所述横向钢板III（124）上端两侧均焊接有钢板连接件（125），所述钢板连接件（125）上设有若干定位孔II（126）；

穿过所述定位孔 I（61）和所述定位孔 II（126）设有螺栓 I（62），所述螺栓 I（62）上还设有固定螺母 I（63），通过所述定位孔 I（61），定位孔II（126）。

3.如权利要求1所述的一种木结构榫卯节点加载测试装置，其特征在于，所述纵向钢板I（1131）和纵向钢板 II（1132）上均设有若干定位孔III（1136），所述定位孔 III（1136）内螺纹连接有螺栓III（1137），所述螺栓 III（1137）上还设有固定螺母 II（1138）。

4.如权利要求1所述的一种木结构榫卯节点加载测试装置，其特征在于，所述安装槽(112)内设有若干螺纹孔 II(116)，所述螺纹孔 II(116)内螺纹连接有用于固定所述待测榫卯节点（3）的柱脚螺栓（117）。

5.如权利要求1所述的一种木结构榫卯节点加载测试装置，其特征在于，所述万能力学试验机的加载头（2）为内置有数据输送模块和力学感应装置的加载头。

6.如权利要求1-5任意一项所述的一种木结构榫卯节点加载测试装置，其特征在于，所述控制装置（5）为内置有万能力学试验机软件的电脑，所述万能力学试验机软件能自动记录力-位移数值及变化规律。

7.一种基于权利要求 1 所述木结构榫卯节点加载测试装置的木结构榫卯节点加载测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，制作待测木结构榫卯节点；

步骤2，根据步骤 1 所制作的待测木结构榫卯节点尺寸，设计相应的立柱固定夹具的尺寸，从而制备纵向钢板 I，纵向钢板 II 和横向钢板I；

步骤3，将纵向钢板I，纵向钢板II 平行放置，并将横向钢板I 以 90 度边界处分别与纵向钢板I，纵向钢板 II 进行焊接成为一体的立柱固定夹具；

步骤4，将步骤 1 得到的木结构榫卯节点固定在步骤 3 得到的立柱固定夹具内部；

步骤5，通过螺栓 II 将步骤 4 得到的安装有木结构榫卯节点立柱固定夹具固定在底座上；

步骤6，根据实际情况调节螺杆，从而将木结构榫卯节点的枋端固定在枋端固定夹具的横向钢板II和横向钢板III之间；

步骤7，将位移传感器安装到榫卯节点的枋端上；

步骤8，点击控制装置内置万能力学试验机软件的开始加载，循环加载试验即开始，电脑软件自动记录力-位移数值及变化规律。

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