CN115404988B - 一种胶合木梁柱弧形端头连接节点结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种胶合木梁柱弧形端头连接节点结构及其设计方法，连接节点结构中，通过合理设计使削弱钢填板连接件首先屈服，避免或延缓胶合木梁发生脆性破坏，使节点具有更好的延性以及耗能性能；并同时增设梁端弧形摩擦面以保证连接的初始刚度，相比于普通钢填板‑螺栓连接，本发明的连接节点结构仅在梁柱连接处添加了弧面造型，对钢填板进行开槽削弱，适用于工厂化加工，现场便于安装；设计方法中，首先按照常规的钢填板—螺栓连接方式确定钢填板的尺寸及强度等级，连接螺栓的直径、等级及间距；其次通过计算确定弧形端头的曲率半径和削弱钢填板的削弱区尺寸，为弧形端头连接节点结构的设计提供了可靠的依据。
Description
技术领域
本发明属于建筑结构技术领域，涉及一种弧形端头连接节点结构及其设计方法。
背景技术
木结构建筑不仅具有环保、高固碳量的特点，工程胶合木产品的可预制性、高程度装配化使得木结构在国内广泛运用。作为木结构常用的胶合木框架结构，梁柱连接节点是决定其抗侧刚度和承载力的关键。钢填板—螺栓连接是胶合木框架结构中应用最为广泛的一种连接形式，大量研究表明，优化节点参数很难避免其在木构件螺孔孔周发生脆性劈裂破坏。
为了提高梁柱连接的抗弯能力及延性，采用了各种方式对连接进行加固，如增加自攻螺钉、采用碳纤维布包裹、增加支撑构件、增加耗能元件等。虽然这些尝试均对梁柱连接的承载力及延性有明显提高，但在美观、施工工艺、工厂化生产及经济性等方面仍不尽人意，在根本上并未改变胶合木梁柱节点的受力方式，最终仍然以木材破坏为主，存在破坏后不易修复以及维修成本过高的问题。
发明内容
为了解决背景技术中所述的问题，本发明提出了胶合木梁柱弧形端头连接节点结构及其设计方法。
本发明的弧形端头连接节点结构，包括木柱和木梁：所述木柱和木梁之间通过削弱钢填板固定连接；所述木柱的一侧设置有外凸弧面，所述外凸弧面沿着周向设置有木柱凹槽；所述木梁的一端设置有与外凸弧面贴合配合的内凹弧面，所述内凹弧面沿着周向设置有木梁凹槽；所述削弱钢填板的中部设置有削弱开槽，所述削弱钢填板的一侧与木柱凹槽配合并通过螺栓与木柱固定连接，削弱钢填板的另一侧与木梁凹槽配合并通过螺栓与木梁固定连接；所述木梁中相邻螺栓之间设置有预应力螺栓。
进一步地，木柱与削弱钢填板通过柱连接螺栓固定连接，木梁与削弱钢填板通过梁连接螺栓和传递螺栓固定连接，梁连接螺栓的侧面与穿过削弱开槽的传递螺栓的侧面通过可调节长度的预应力螺栓相互连接。
更进一步地，所述预应力螺栓包括螺栓和与螺栓螺纹配合的套筒，所述螺栓的一端设置有与梁连接螺栓的侧面或传递螺栓的侧面配合的螺栓顶托；所述套筒上沿周向设置有转动槽，所述套筒的一端设置有铰盘，所述铰盘上设置有与传递螺栓的侧面或梁连接螺栓的侧面配合的套筒顶托。
本发明的弧形端头连接节点结构的设计方法，包括以下步骤：
步骤一、依据木结构的抗震设计要求，确定胶合木梁柱连接节点的剪力设计值Q和设计弯矩M；
步骤二、依据现行《木结构的设计标准》，确定胶合木梁柱截面尺寸、材料等级，并进行承载力验算；
步骤三、依据现行《木结构的设计标准》，按照常规钢填板—螺栓连接方式确定胶合木梁柱弧形端头连接节点结构所采用的削弱钢填板的强度等级及尺寸，螺栓强度等级、直径及布置间距；
步骤四、依据现行《木结构的设计标准》，验算胶合木梁柱连接的截面承载力以及螺孔与连接螺孔处最不利螺栓处的销槽承压强度；
步骤五、根据胶合木梁截面尺寸初步确定梁端弧形端头曲率半径r，r＝0.5H-0.7H，H为木梁(2)的高度，确保梁端弧形面处于受压状态，确定预应力螺栓的预应力Fp，并验算传递螺孔处的销槽承压强度；
步骤六、确定削弱钢填板的削弱区总高度最小值h0：
M1e＝Wx·fy≤M，
其中，削弱区总高度为削弱钢填板中部的削弱开槽的总高度，M1e为削弱钢填板屈服弯矩，M为胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的设计弯矩，fy为削弱钢填板的屈服强度，Wx为最小削弱高度h0对应的削弱钢填板削弱处弹性净截面模量；H为削弱钢填板的高度，若h0≥H,则返回步骤三重新调整削弱钢填板的尺寸和强度等级，若h0＜H，进行步骤七；
步骤七、确定削弱钢填板的削弱区总高度最大值hmax：
hmax＝min(hmax1,hmax2)，
hmax1由M1p＝Wpx·fy＞M确定，
其中，削弱区总高度为削弱钢填板中部的削弱开槽的总高度，M1p为削弱钢填板的极限屈服弯矩，M为胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的设计弯矩，fy为削弱钢填板的屈服强度，Wpx为最大削弱高度hmax1对应的削弱钢填板削弱处塑性净截面模量；hn为削弱钢填板削弱区各肢高度，由弧形端头连接节点结构的最小抗弯刚度确定；m为削弱钢填板削弱区的肢数；H为削弱钢填板的高度；
若hmax＜h0或hmax≥H，则返回步骤五调整弧形端头曲率半径r；若h0≤hma≤H-(h1+hm)，则直接取hmax的值，若H-(h1+hm)＜hmax＜H，取hmax＝H-(h1+hm)，接着进行步骤八；
步骤八，确定削弱钢填板3的削弱区高度hw，使得h0<hw<hmax。
与现有技术相比，本发明的弧形端头连接节点结构中，通过合理设计使削弱钢填板连接件首先屈服，避免或延缓胶合木梁发生脆性破坏，使节点具有更好的延性以及耗能性能；并同时增设梁端弧形摩擦面以保证连接的初始刚度，相比于普通钢填板-螺栓连接，本发明的连接节点结构仅在梁柱连接处添加了弧面造型，对钢填板进行开槽削弱，适用于工厂化加工，现场便于安装；另外，增设的预应力螺栓外形上与普通钢填板螺栓节点相似，施加预应力过程简单方便，无需锚索和锚具，成本低廉，而弧形端头不仅美观且有利于保证连接的刚度和承载力。由于该连接节点结构将受力部位转移至钢填板，在地震作用下首先在钢填板处屈服，震后只需更换钢填板和螺栓即可修复，具有可更换、易修复，维修成本低的特点，具有良好的工程应用价值。本发明的设计方法中，首先按照常规的钢填板—螺栓连接方式确定钢填板的尺寸及强度等级，连接螺栓的直径、等级及间距；其次通过计算确定弧形端头的曲率半径和削弱钢填板的削弱区尺寸，为弧形端头连接节点结构的设计提供了可靠的依据。
附图说明
图1为弧形端头连接节点结构的爆炸图。
图2为木梁结构的透视图。
图3为弧形端头连接节点结构的三视图，图3(a)为左视图，图3(b)为正视图，图3(c)俯视图。
图4为削弱钢填板的示意图。
图5为预应力螺栓的原理图。
图6为弧形端头连接节点结构转动中心为R时节点在弯矩作用下的分析图。
图7为削弱钢填板抵抗弯矩的原理，图7(a)为弹性工作阶段，图7(b)为塑性工作阶段。
图8为弧形面提供滑动弯矩的分析图。
图9为削弱钢填板及其简化力学模型，图9(a)为削弱钢填板，图9(b)为简化力学模型。
图10为弧形端头连接节点结构转动中心为R’时的力学分析图。
图11为弧形端头连接节点结构初始刚度模型。
图12为弧形端头连接节点结构的设计流程图。
其中：1-木柱；11-螺孔；12-木柱凹槽；13-外凸弧面；2-木梁；21-连接螺孔；22-传递螺孔；23-木梁凹槽；24-螺栓预留槽；25-内凹弧面；3-削弱钢填板；31-预留螺孔一；32-预留螺孔二；33-削弱开槽；4-连接螺栓；41-梁连接螺栓；42-柱连接螺栓；5-传递螺栓；6-预应力螺栓；61-套筒顶托；62-铰盘；63-套筒，631-转动槽，64-螺栓；65-螺栓顶托。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅做举例而已，同时通过说明，将更加清楚地理解本发明的优点。本领域的普通的技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。实施例中所述的位置关系均与附图所示一致，实施例中其他未详细说明的部分均为现有技术。
1.工作机理
对于弧形端头连接节点结构，弧形端头连接节点的木构件与钢填板通过螺栓连接，荷载沿胶合木梁-梁螺栓-钢填板-柱螺栓-胶合木柱的路径传递。连接整个单调加载过程可以分为三个阶段：弹性工作阶段、塑性工作阶段、破坏阶段。初始加载阶段，各部件在荷载作用下接触逐渐密实，接触压力不断增大，螺杆及钢填板为发生一定弹性变形，应力主要集中在钢填板螺孔附近及螺杆上，弯矩-转角关系近似呈直线段。随着加载位移增大，梁螺孔周应力因螺杆挤压而进一步增大，孔壁产生局部变形，同时钢填板在削弱区域也产生塑性变形，节点进入塑性工作阶段，随着木梁转角持续增加，钢填板削弱区受拉侧出现屈服，螺栓极少部分屈服，梁螺孔周未发生破坏。进一步地，钢填板削弱区出现连片屈服区域，节点变形明显增大，刚度减小，梁螺孔周围横纹压应力逐渐增大，出现明显销槽承压变形，说明节点达到屈服，此时梁相对弧形面发生明显转动，弧面边缘少量接触面脱离。最后，随着钢填板削弱区域大面积屈服，塑性变形集中在该区域，达到钢填板极限应变而破坏，梁螺孔周极小区域的木材达到横纹抗拉强度，说明有少量裂纹出现，但不会产生贯通劈裂。
2.胶合木梁柱弧形端头连接节点结构
胶合木梁柱弧形端头连接节点结构，整体由木柱1、木梁2和削弱钢填板3构成，木柱1和木梁2均采用层板胶合制成。
如图1、图2和图3所示，木柱1的一侧设置有外凸弧面13，外凸弧面13沿着周向设置有木柱凹槽12；木梁2的一端设置有内凹弧面25，内凹弧面25沿着周向设置有木梁凹槽23；外凸弧面13宽度与木梁2宽度一致，与内凹弧面25弧面曲率一致，木柱1的外凸弧面13与木梁2的内凹弧面25贴合相接触形成摩擦面，摩擦面可提供一定摩擦力，从而提高连接节点的初始刚度并保证连接的承载力强度。削弱钢填板3的一侧与木柱凹槽12配合并通过螺栓与木柱1固定连接，削弱钢填板3的另一侧与木梁凹槽23配合并通过螺栓与木梁2固定连接。
如图4所示，削弱钢填板3的中部区域设置有削弱开槽33，削弱钢填板3的一侧设置有预留螺孔二32，削弱钢填板3的另一侧也设置预留螺孔一31；削弱开槽33、预留螺孔一31和预留螺孔二32的数量可依据设计要求而定。在本实施例中，削弱开槽33的数量为个，预留螺孔一31和预留螺孔二32的数量均为四个。
如图1、图2、图3和图4所示，削弱钢填板3的一侧嵌入到木柱1的木柱凹槽12中，木柱1上设置有螺孔11，螺孔11与削弱钢填板3的预留螺孔二32重合，木柱1与削弱钢填板3通过穿过螺孔11与预留螺孔二32的柱连接螺栓42固定连接。削弱钢填板3的另一侧嵌入到木梁2的木梁凹槽23中，木梁2上设置有连接螺孔21和传递螺孔22，削弱钢填板3的预留螺孔一31与木梁2的连接螺孔21和传递螺孔22重合，木梁2与削弱钢填板3通过穿过连接螺孔21与预留螺孔一31的梁连接螺栓41固定连接，木梁2与削弱钢填板3还通过穿过传递螺孔22与削弱开槽33的传递螺栓5固定连接。传递螺孔22中的梁连接螺栓41的侧面与传递螺栓5的侧面通过可调节长度的预应力螺栓6相互连接；并且木梁2的侧面还设置有螺栓预留槽24，螺栓预留槽24为设于传递螺孔22与相邻的连接螺孔21之间的腰形槽，用于安装预应力螺栓6。
如图5所示，预应力螺栓6由螺栓64和与螺栓64螺纹配合的套筒63构成；螺栓64的一端设置有与梁连接螺栓41的侧面配合的螺栓顶托65；套筒63上沿周向设置有转动槽631，套筒63的一端设置有铰盘62，铰盘62上设置有与传递螺栓5的侧面配合的套筒顶托61。通过螺栓预留槽24将预应力螺栓6安装在木梁2两侧，螺栓顶托65对准梁连接螺栓41的侧面，套筒顶托61对准传递螺栓5的侧面，利用转动槽631可转动套筒63，使螺栓64向套筒外拧动，从而套筒顶托61可对两侧施加一定预应力，通过传递螺栓5使得内凹弧面25与外凸弧面13间面压力增大。预应力螺栓6施加的预应力可以使木梁2与木柱1紧密接触，可以消除因制作误差导致的小间隙，保证连接的传力体系稳定，提高摩擦弧面的耗能效率。
在胶合木梁柱弧形端头连接节点结构中，梁连接螺栓41和柱连接螺栓42可统称为连接螺栓4，连接螺栓4将结构所受应力通过预留螺孔一31、预留螺孔二32传递至削弱钢填板3，应力集中于削弱开槽33的所构成的削弱区，胶合木梁柱弧形端头连接节点结构将优先在削弱钢填板3的削弱区发生屈服，从而避免木梁发生横纹劈裂的脆性破坏。传递螺栓5穿过传递螺孔22也正好经过削弱开槽33，传递螺栓5不负责传递木梁2与削弱钢填板3之间应力，仅传递预应力螺栓6与传递螺孔22间应力。
3.胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的设计方法
在胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的模拟分析基础上，提出了相应的抗弯刚度及承载力计算公式，建立了该结构的设计方法。
3.1承载力计算公式
根据对节点破坏模式以及关键参数的分析，理想的弧形端头连接破坏模式为：削弱钢填板3发生大面积屈服变形而木梁2的螺孔局部承压破坏。针对这种破坏模式，节点的抗弯承载力主要由削弱钢填板3决定，为简化分析过程，计算过程中未考虑木构件抗弯性能。
对计算模型做如下假定：
(1)削弱钢填板3开始屈服时，如图6所示，木梁2的转动中心R与木柱1的外凸弧面13的曲率中心重合；
(2)节点在转动过程中，木柱1的外凸弧面13和木梁2的内凹弧面25始终保持接触，且弧面接触应力分布均匀。
连接节点结构的木梁2的梁远端施加有竖向集中荷载F，距节点转动中心距离为L，如图3(b)所示，该集中荷载在节点区产生了弯矩M和剪力Q，其中剪力Q的大小等于集中荷载F，节点区弯矩M为：
M＝FL (1)，
而连接节点结构的抗弯承载力M0由削弱钢填板3的抗弯承载力M1和梁柱接触弧面的抵抗弯矩M2组成：
M0＝M1+M2 (2)，
为保证连接节点结构的可靠性，则需要M0＞M，而在连接节点结构的设计中，为简化流程，可以忽略梁柱接触弧面的抵抗弯矩M2，则需要M1＞M即可。是否可以忽略梁柱接触弧面的抵抗弯矩M2，可以依据实际需要而定。
由于削弱钢填板3的两侧由木柱1和木梁2包裹，对于削弱钢填板3主平面内的抗弯承载力，可不考虑削弱钢填板3平面外失稳情况，总体而言，削弱钢填板3的抗弯承载力M1为：
M1＝W·fy (3)，
其中，W为削弱钢填板3削弱处的净截面模量，fy为削弱钢填板3屈服强度。
对节点转动中心R取矩，削弱钢填板3不同阶段应力如图7所示。将削弱钢填板3截面边缘屈服作为削弱钢填板3的强度极限，此时应力如图7(a)所示，钢填板的屈服弯矩M1e按式(4)计算：而当削弱钢填板3截面出现塑性铰，截面应力均超过屈服强度，此时应力如图7(b)所示，此时可将塑性铰弯矩M1p作为削弱钢填板3的极限屈服弯矩，按式(5)计算。
M1e＝Wx·fy (4)，
M1p＝Wpx·fy (5)，
式中：M1e为削弱钢填板3的屈服弯矩，M1p为削弱钢填板3的极限屈服弯矩，fy为削弱钢填板3屈服强度，Wx为削弱钢填板3削弱处弹性净截面模量；Wpx为削弱钢填板3削弱处塑性净截面模量，Wpx＝S1x+S2x，S1x和S2x分别为中性轴以上及以下净截面面积对中性轴的面积矩。
梁柱接触弧面弯矩主要受梁柱接触面压应力σc影响，而梁柱接触压力大小取决于预应力Fp大小，预应力Fp由预应力螺栓6产生，对接触弧面满足力平衡。
木梁2的弧面总压力为：
木柱1的弧面总压力为：
Fc＝σc·b·s (7)，
另外，木梁2的弧面总压力等于木柱1的弧面总压力：
Fb＝Fc (8)，
其中，Fpi为单个预应力螺栓6的预应力，b为胶合木梁2的宽度，σc为梁柱接触面压应力，s为柱弧面造型弧长；α为预应力传递系数，表示所加预应力实际传递到柱端的比例；n为梁端预应力螺栓6的个数。
对节点转动中心R取矩，弧面所提供抵抗弯矩M2如图8所示，计算公式如式(9)所示：
式中：μ为弧面摩擦系数，r为弧面曲率半径；α为预应力传递系数，表示所加预应力实际传递到柱端的比例；Fp为预应力螺栓6所提供的预应力。
3.2初始刚度计算公式
对胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的模拟结果以及受力特征进行分析可知，连接结构的整体初始刚度K主要由削弱钢填板3的刚度K1以及木梁2的螺栓群转动刚度K2决定。
对于削弱钢填板3，应变主要集中在削弱钢填板3的削弱区，如图9(a)所示，通过分析可知，此时削弱钢填板3的初始刚度主要由削弱区抗剪刚度决定。因此，忽略削弱钢填板3抗弯刚度的影响后，可将其简化为如图9(b)所示力学模型，其中将削弱区四肢钢板视为四根杆件，左右两端区域钢板简化为刚体。
对图9(b)在B端施加位移Δ，杆端弯矩及相应的抗剪刚度为：
其中，MAB为AB杆在A端的弯矩，i为杆件线刚度，Δ为对削弱钢填板3削弱区施加的位移，L1为削弱区长度，E为削弱钢填板3的弹性模量，b为削弱钢填板3的厚度，hn为第n肢削弱板的截面高度，K1n为第n肢削弱板的刚度。
对于本发明的胶合木梁柱弧形端头连接节点结构，考虑弧面静摩擦力，弹性阶段梁受力状态可近似与普通钢填板-螺栓连接相同，如图10所示，假设其瞬时转动中心R’为木梁2的螺栓水平线与梁柱弧面的交界点，木梁2的螺栓群转动刚度K2为：
式中：ρ为木材密度，d为螺栓直径，Kdef为含水率参数，ri'为对应螺栓至瞬时转动中心R’的距离；u1、μ2为回归系数，根据欧规EN 1995-1-1规定并结合本节点特点，u1＝1.5,μ2＝28。
木梁2的螺孔与削弱钢填板3的螺孔由螺栓连接，对于整体连接而言，可视为K1、K2串联，因此节点弹性刚度模型可简化为如图11所示模型，节点整体初始刚度K由式(14)计算：
3.3弧形端头连接节点结构的设计流程
在节点的设计中，首先按照常规的钢填板—螺栓连接方式确定钢填板的尺寸及强度等级，梁连接螺栓41和柱连接螺栓42的直径、等级及间距；其次通过计算确定弧形端头的曲率半径和削弱钢填板的削弱区尺寸。该设计方法的流程图如图12所示。
具体流程如下：
步骤一、依据木结构的抗震设计要求，确定胶合木梁柱连接节点的剪力设计值Q和设计弯矩M，具体可见3.1节。
步骤二、依据现行《木结构设计标准》GB50005-2017，确定胶合木梁柱截面尺寸、材料等级，并进行承载力验算。
步骤三、依据现行《木结构设计标准》GB50005-2017，按照常规钢填板—螺栓连接方式确定胶合木梁柱弧形端头连接节点结构所采用的削弱钢填板3的强度等级及尺寸，螺栓强度等级、直径及布置间距。
步骤四、依据现行《木结构设计标准》GB50005-2017，验算胶合木梁端与柱端的截面承载力以及螺孔11与连接螺孔21处最不利螺栓处的销槽承压强度。
步骤五、根据胶合木梁截面尺寸初步确定梁端弧形端头曲率半径，曲率半径为0.5H-0.7H，H为木梁2的高度，确保梁端弧形面处于受压状态，确定预应力螺栓6的预应力Fp，并验算传递螺孔22处的销槽承压强度。
步骤六、确定削弱钢填板3的削弱区总高度最小值h0：
M1e＝Wx·fy≤M，
其中，削弱区总高度为削弱钢填板3中部的削弱开槽33的总高度，M1e为削弱钢填板3屈服弯矩，M为胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的设计弯矩，fy为削弱钢填板3的屈服强度，Wx为最小削弱高度h0对应的削弱钢填板3削弱处弹性净截面模量；削弱钢填板3的高度等于木梁2的高度，均为H，若h0≥H,则返回步骤三重新调整削弱钢填板3的尺寸和强度等级，h0＜H，进行步骤七；
步骤七、确定削弱钢填板3的削弱区总高度最大值hmax：
hmax＝min(hmax1,hmax2)，
其中，hmax1由M1p＝Wpx·fy＞M确定，
由胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的最小抗弯刚度确定；
其中，削弱区总高度为削弱钢填板3中部的削弱开槽33的总高度，M1p为削弱钢填板3的极限屈服弯矩，M为胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的设计弯矩，fy为削弱钢填板3的屈服强度，Wpx为最大削弱高度hmax1对应的削弱钢填板3削弱处塑性净截面模量；hn为削弱钢填板3削弱区各肢高度，H为削弱钢填板3的高度，m为削弱钢填板3削弱区的肢的数量；若hmax＜h0或hmax≥H，则返回步骤五调整弧形端头曲率半径；若h0≤hma≤H-(h1+hm),则直接取hmax的值，若H-(h1+hm)＜hmax＜H，取hmax＝H-(h1+hm)，进行步骤八。
具体可见3.2节，削弱钢填板3削弱区各肢高度hn通过上述公式(10)-(14)可计算出。返回步骤五调整弧形端头曲率半径中，若hmax＜h0，则可适当增大弧面曲率半径r；若hmax≥H，可适当减小曲率半径r。
步骤八、确定削弱钢填板3的削弱区高度hw，使得h0<hw<hmax。
4.实施例
如图3所示，依据现行《木结构设计标准》GB50005-2017，木柱1的截面尺寸b1＝272mm，Lc＝305mm；木梁2的截面尺寸b2＝130mm，H＝305mm，在室温20℃下，假设对木梁2的梁端实施一个25KN竖直向上的力，即施加力F＝25KN，剪力设计值Q＝F＝25KN，木梁2的梁端的力加载点至柱端距离l＝860mm，下面进行设计。
木柱1和木梁2的木材采用北美云杉-松-冷杉(SPF)，其参数如表1所示，含水率小于12％。
表1北美云杉-松-冷杉胶合木参数
注：下标1、2、3分别对应纵向、径向和切向，与X、Y、Z轴对应。
施加力在节点区产生的弯矩满足：
M＝FL，
其中，F为施加力的大小，L为力加载点到转动中心R的距离。
首先对钢填板螺栓连接进行常规设计，根据《木结构设计标准》GB50005-2017要求确定相关参数：螺栓取直径d＝20mm的8.8级高强螺栓，螺栓与木构件边距hb1＝hv3＝70mm，hv2＝58mm，hb2＝75mm；木构件顺纹及横纹方向螺孔间距分别为hv1＝190mm和hh1＝165mm；钢削弱钢填板3的长度Lg＝745mm，削弱钢填板3的高度H＝305mm，钢削弱钢填板3厚9.5mm，削弱槽长度L1＝150mm，屈服强度为fy＝235MPa。
如图5所示，预应力螺栓6的尺寸为：d1＝16mm，d2＝14mm，L2＝35mm。如图8所示，预设总预应力FP＝40KN，本实施例中，如图8所示，预应力螺栓6每侧个数为2颗，两侧共4颗，则每颗预应力螺栓6的单预应力FP1＝10KN，FP2＝FP1＝10KN。
在传递螺栓5的传递螺孔22处产生的顺纹压应力f'c1为：
其中：b2为梁宽，d为螺栓直径，fc1为顺纹抗压强度。
传递螺栓5的传递螺孔22处产生的顺纹压应力远小于顺纹抗压强度，传递螺栓5螺孔处未出现销槽承压破坏。
假定胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的弧面造型曲率半径r＝0.61H＝186mm，因此加载点至节点转动中心距离L＝966.5mm，因此，设计弯矩M为：
M＝FL＝25KN·0.9665m＝24.16KN·m，
由于弧形端头的主要作用在于提高该连接结构的初始抗弯刚度，对抗弯承载力的贡献很小，在本实施例中，忽略梁柱接触弧面提供的抵抗弯矩M2。
如图4所示，确定削弱钢填板3的削弱总高度hw及各个削弱槽高度hwi，i＝1,2,3。
削弱钢填板3螺栓连接的屈服弯矩M1e应小于设计弯矩M，极限屈服弯矩Mp1应大于设计弯矩M，即：
M1e＝Wx·fy≤M，M1p＝Wpx·fy＞M，
代入上述参数值可得：
Wx≤102809mm3，Wpx＞102809mm3，
拟在削弱钢填板3的中部区域均匀开三个相同尺寸的削弱开槽33。通过Wx的数值可求得削弱钢填板3的削弱区总高度最小值h0＝136.5mm，h0远小于削弱钢填板3的高度H，H＝305mm。
通过Wpx的数值可求得削弱钢填板3的hmax1＝188.1mm。
同时胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的初始抗弯刚度需满足以下条件：
由式(13)可得:
其中，假设其瞬时转动中心R’为木梁2的螺栓水平线与梁柱弧面的交界点，为各螺栓至瞬时转动中心R’的距离的平方和。
根据式(10)-(14)可得：hmax2＝169.5mm。
因而，削弱钢填板3的削弱区总高度最大值为hmax＝min(hmax1,hmax2)＝min(188.1，169.5)＝169.5mm。
要求从而，削弱钢填板3的削弱区高度hw要求h0<hw<hmax，，由此，在满足上述条件下可取hw＝150mm，由于拟在削弱钢填板3的中部区域均匀开三个相同尺寸的削弱开槽33，每个削弱开槽33的高度为hwi＝50mm，i＝1,2,3。
以上结合附图及具体实施例详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的设计方法，其特征在于：
所述胶合木梁柱弧形端头连接节点结构包括木柱(1)和木梁(2)，所述木柱(1)和木梁(2)之间通过削弱钢填板(3)固定连接；所述木柱(1)的一侧设置有外凸弧面(13)，所述外凸弧面(13)沿着周向设置有木柱凹槽(12)；所述木梁(2)的一端设置有与外凸弧面(13)贴合配合的内凹弧面(25)，所述内凹弧面(25)沿着周向设置有木梁凹槽(23)；所述削弱钢填板(3)的中部设置有削弱开槽(33)，削弱钢填板(3)的一侧与木柱凹槽(12)配合并通过螺栓与木柱(1)固定连接，削弱钢填板(3)的另一侧与木梁凹槽(23)配合并通过螺栓与木梁(2)固定连接；所述木梁(2)中相邻螺栓之间设置有预应力螺栓(6)；
所述木柱(1)上设置有螺孔(11)，所述削弱钢填板(3)的一侧设置有与螺孔(11)重合的预留螺孔二(32)，所述木柱(1)与削弱钢填板(3)通过穿过螺孔(11)与预留螺孔二(32)的柱连接螺栓(42)固定连接；
所述木梁(2)上设置有连接螺孔(21)和传递螺孔(22)，所述削弱钢填板(3)的另一侧设置有与连接螺孔(21)和传递螺孔(22)重合的预留螺孔一(31)；所述木梁(2)与削弱钢填板(3)通过穿过连接螺孔(21)与预留螺孔一(31)的梁连接螺栓(41)固定连接，木梁(2)与削弱钢填板(3)通过穿过传递螺孔(22)与削弱开槽(33)的传递螺栓(5)固定连接；所述梁连接螺栓(41)的侧面与穿过削弱开槽(33)的传递螺栓(5)的侧面通过可调节长度的预应力螺栓(6)相互连接，所述木梁(2)的侧面设置有安装预应力螺栓(6)的螺栓预留槽(24)；
所述预应力螺栓(6)包括螺栓(64)和与螺栓(64)螺纹配合的套筒(63)，所述螺栓(64)的一端设置有与梁连接螺栓(41)的侧面或传递螺栓(5)的侧面配合的螺栓顶托(65)；所述套筒(63)上沿周向设置有转动槽(631)，所述套筒(63)的一端设置有铰盘(62)，所述铰盘(62)上设置有与传递螺栓(5)的侧面或梁连接螺栓(41)的侧面配合的套筒顶托(61)；
所述设计方法包括以下步骤：
步骤一、依据木结构的抗震设计要求，确定胶合木梁柱连接节点的剪力设计值Q和设计弯矩M；
步骤二、依据现行《木结构的设计标准》，确定胶合木梁柱截面尺寸、材料等级，并进行承载力验算；
步骤三、依据现行《木结构的设计标准》，按照常规钢填板—螺栓连接方式确定胶合木梁柱弧形端头连接节点结构所采用的削弱钢填板(3)的强度等级及尺寸，螺栓强度等级、直径及布置间距；
步骤四、依据现行《木结构的设计标准》，验算胶合木梁柱连接的截面承载力以及螺孔(11)与连接螺孔(21)处最不利螺栓处的销槽承压强度；
步骤五、根据胶合木梁截面尺寸初步确定梁端弧形端头曲率半径r，r＝0.5H-0.7H，H为木梁(2)的高度，确保梁端弧形面处于受压状态，确定预应力螺栓(6)的预应力Fp，并验算传递螺孔(22)处的销槽承压强度；
步骤六、确定削弱钢填板(3)的削弱区总高度最小值h0：
M1e＝Wx·fy≤M，
其中，削弱区总高度为削弱钢填板(3)中部的削弱开槽(33)的总高度，M1e为削弱钢填板(3)屈服弯矩，M为胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的设计弯矩，fy为削弱钢填板(3)的屈服强度，Wx为最小削弱高度h0对应的削弱钢填板(3)削弱处弹性净截面模量；H为削弱钢填板(3)的高度，若h0≥H,则返回步骤三重新调整削弱钢填板(3)的尺寸和强度等级，h0＜H，进行步骤七；
步骤七、确定削弱钢填板(3)的削弱区总高度最大值hmax：
hmax＝min(hmax1,hmax2)，
hmax1由M1p＝Wpx·fy＞M确定，
其中，削弱区总高度为削弱钢填板(3)中部的削弱开槽(33)的总高度，M1p为削弱钢填板(3)的极限屈服弯矩，M为胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的设计弯矩，fy为削弱钢填板(3)的屈服强度，Wpx为最大削弱高度hmax1对应的削弱钢填板(3)削弱处塑性净截面模量；hn为削弱钢填板(3)削弱区各肢高度，由弧形端头连接节点结构的最小抗弯刚度确定；m为削弱钢填板(3)削弱区的肢数；H为削弱钢填板(3)的高度；
若hmax＜h0或hmax≥H，则返回步骤五调整弧形端头曲率半径r；若h0≤hmax≤H-(h1+hm)，则直接取hmax的值，若H-(h1+hm)＜hmax＜H，取hmax＝H-(h1+hm)，接着进行步骤八；
步骤八，确定削弱钢填板(3)的削弱区高度hw，使得h0<hw<hmax。
2.根据权利要求1所述的一种胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的设计方法，其特征在于：所述步骤一中，
胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的设计弯矩M为：
M＝FL，
其中F为作用于木梁(2)梁远端的集中荷载，L为集中荷载距节点转动中心的距离；
剪力设计值Q＝F。
3.根据权利要求2所述的一种胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的设计方法，其特征在于：所述步骤二中，连接节点结构的抗弯承载力M0由削弱钢填板(3)的抗弯承载力M1和梁柱接触弧面的抵抗弯矩M2组成：
M0＝M1+M2，
M1＝W·fy，
其中，W为削弱钢填板(3)削弱处的净截面模量，fy为削弱钢填板(3)的屈服强度，μ为弧面摩擦系数，r为弧面曲率半径；α为预应力传递系数，表示所加预应力实际传递到柱端的比例；Fp为预应力螺栓(6)所提供的预应力。
4.根据权利要求3所述的一种胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的设计方法，其特征在于：所述预应力传递系数α可通过下式求得：
Fc＝σc·b·s
Fb＝Fc
其中，Fb为木梁(2)的弧面总压力，Fp为预应力螺栓(6)产生的预应力，Fpi为单个预应力螺栓(6)的预应力，n为梁端预应力螺栓(6)的个数；Fc为木柱(1)的弧面总压力，b为木梁(2)的宽度，σc为梁柱接触面压应力，s为柱弧面造型弧长。
5.根据权利要求1所述的一种胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的设计方法，其特征在于：所述步骤七中，削弱钢填板(3)削弱区各肢高度hn通过下式求得：
其中，削弱钢填板(3)削弱区的各肢视为杆件，MAB为AB杆在A端的弯矩，i为杆件线刚度，Δ为对削弱钢填板(3)在削弱区的竖向位移，E为削弱钢填板(3)弹性模量，L1为削弱区长度，b为削弱钢填板(3)的厚度，hn为第n肢削弱板的高度，K为节点整体初始刚度，K1n为第n肢削弱板的刚度，K1为钢填板(3)在削弱区的抗侧刚度，K2为节点的转动刚度，ρ为木材密度，d为螺栓直径，Kdef为含水率参数，ri为对应螺栓至转动中心R的距离；u1、μ2为回归系数，根据欧规EN 1995-1-1规定并结合本节点特点，取u1＝1.5,μ2＝28。
6.根据权利要求1所述的一种胶合木梁柱弧形端头连接节点结构的设计方法，其特征在于：所述步骤七中，返回步骤五调整弧形端头曲率半径r中，若hmax＜h0，则可适当增大弧面曲率半径r；若hmax≥H，可适当减小曲率半径r。
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