CN116956443B - 木结构节点半刚性梁的性能确定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及木结构性能确定技术领域，尤其涉及木结构节点半刚性梁的性能确定方法及装置。方法包括：获取木构件和钢构件之间的接触面，在木构件上的接触面高度方向上生成用于模拟木结构接触面的接触面点阵，按照钢销定位对应生成用于模拟木构件销槽孔的销槽孔点阵；在与木构件连接的钢构件上，生成接触面点阵对应位置钢构件的接触面点阵，在销槽孔点阵对应的位置生成钢构件销槽孔点阵；计算端面接触约束受力；计算钢销传力约束受力，根据端面接触约束受力和钢销传力约束受力建立完整模型并确定木结构节点半刚性梁的性能。相较于常规仿真中采用的实体单元，所述多组刚性梁及非线性受力约束均为线单元，能大幅减少计算时长，且更容易收敛。

Description

木结构节点半刚性梁的性能确定方法及装置

技术领域

本发明涉及木结构性能确定技术领域，尤其涉及木结构节点半刚性梁的性能确定方法及装置。

背景技术

胶合木梁是我国现代木结构中使用最多的木构件类型，其连接是典型的半刚性连接，应在结构计算中合理确定其刚度。为此需要解决两个问题，一是如何确定连接半刚性程度，二是如何在计算中模拟其半刚性。

连接刚度分析方面。大量案例通过试验获得中小型构件连接的弯曲转角曲线，费用高，周期长。一般为纯弯曲试验或者纯拉压试验，少量的复合受力试验也是固定其中一个变量，而在真实结构中各个连接的受力成分比例可能相差大，试验无法分析所有状况。试件偏少，得到的极限承载力，无法转换为特征值，不便于工程中应用。采用有限元法建立连接实体模型进行分析是对试验的补充，适用于任意大小的构件连接，可以施加组合受力，但是工作量仍然大。且木材的材料本构难以简单模拟，分析结果可靠性低。

整体计算分析方面。何敏娟等在节点半刚性对K6单层木网壳稳定性能的影响[J].特种结构, 2018,35(04):69-80中通过Combin39非线性弹簧单元来引入连接抗弯半刚性。连接弯矩转角关系需要针对指定连接通过试验或有限元法提前确定，且未考虑连接轴向刚度的影响，以及受拉时连接轴向承载力不同。节点半刚性对K6单层木网壳稳定性能的影响的方案的示意图如图1所示。孙小鸾等在考虑节点域轴向滑移刚度的K6型单层球面木网壳稳定性分析[J]. 结构工程师, 2021,37(06):1-9.中通过在连接处设置两根重合的单自由度Combin39弹簧单元以分别考虑连接轴向滑移刚度及转动刚度。考虑节点域轴向滑移刚度的K6型单层球面木网壳稳定性分析的原理示意图如图2所示，该模型引入了轴向刚度和安装间隙轴向滑移，但与弯曲刚度未关联，无法考虑端面局部接触受压时因力臂增大对抗弯承载力的影响，即复合受力状况下的模拟不真实。同样，连接刚度参数需要通过试验或有限元法提前确定。

发明内容

为了克服现有技术指出的上述不足，本发明提出了新的仿真方法，提供了木结构节点半刚性梁的性能确定方法及装置。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

木结构节点半刚性梁的性能确定方法，包括以下步骤：

获取木构件和钢构件之间的接触面，在木构件上，在接触面高度方向上生成用于模拟木结构接触面的接触面点阵，按照钢销定位对应生成用于模拟木构件销槽孔的销槽孔点阵，所述接触面点阵和销槽孔点阵在同一平面内，并且接触面点阵内做了刚体约束，销槽孔点阵内做了刚体约束；在与木构件连接的钢构件上，在所述接触面点阵对应的位置生成钢构件接触面点阵，在所述销槽孔点阵对应的位置生成钢构件销槽孔点阵，钢构件接触面点阵内部做了刚体约束，钢构件销槽孔点阵内部做了刚体约束；

在所述接触面点阵和对应的钢构件接触面点阵之间建立具有非线性性能的局部坐标x轴单向受力约束，模拟端面接触，计算端面接触单向受力约束受力；在所述销槽孔点阵和对应的钢构件销槽孔点阵之间建立具有非线性性能的局部坐标xy平面双向受力约束，模拟钢销传力，计算钢销传力双向受力约束受力；

根据所述端面接触单向受力约束受力和所述钢销传力双向受力约束受力建立完整模型，根据节点受力模式确定节点弯曲刚度以及轴向刚度，并计算节点的极限承载力，最终确定木结构节点半刚性梁的性能。根据受力约束状态实时更新整体模型刚度矩阵和节点的承载力，进入下一个计算步，实现结构非线性全过程分析。节点刚度会影响力的传递和内力分布，最终计算是经过很多个计算步后，得到的结构的非线性结果。相对于刚性的梁，半刚性结构的变形通常更大，整体性能更差，本文方法可以合理评估该影响。

作为一种具体的实施例，所述接触面点阵和所述销槽孔点阵根据半钢结构中木构件和钢构件的连接信息生成。

作为一种具体的实施例，所述连接信息包括：要连接的构件单元号、连接一侧的节点号、连接的类型以及连接的结构参数。

作为一种具体的实施例，对于插板类连接，所述连接的结构参数包括钢销行数、钢销列数、行距、列距、角部钢销的行边距、角部钢销的列边距、钢销直径和钢插板的厚度。

作为一种具体的实施例，还包括根据所述连接信息，在连接节点处建立局部坐标系，使得局部x轴由构件节点起点指向终点，局部y轴使局部xy平面位于插板平面内，局部z轴满足右手螺旋法则，所述接触面点阵和销槽孔点阵在局部xy平面内。

作为一种具体的实施例，所述端面接触弹簧受力的计算公式为：

式中，u为接触面点阵相对钢构件接触面点阵朝x正向的相对位移，为弹簧反力，方向与相对位移相反，/>为木材顺纹弹性模量，为木梁在连接处的净宽，/>为弹簧对应接触面点阵在节点间平均分配的从属高度，/>为接触面中心与钢销群中心之间的距离，为木材屈服应力标准值，/>为接触面间隙。

作为一种具体的实施例，所述钢销传力弹簧受力计算公式为：

式中，u为销槽孔点阵相对钢构件销槽孔点阵的相对位移，为弹簧反力，方向与相对位移相反，/>为钢销滑移刚度，/>为钢销屈服承载力标准值，/>大小与/>相关，/>为销槽力与顺纹方向的夹角，/>，/>和/>分别为相对位移量的x向分量和y向分量，/>是钢销的间隙。

作为一种具体的实施例，所述接触面点阵以接触面中心点为中心，在接触面的高度方向按预设间距生成线状点阵。

作为一种具体的实施例，在构建接触面点阵和销槽孔点阵之前，还根据木构件的高度，计算高度方向另一侧的行边距，并根据边距、间距进行合规性判断，达到合规性标准才构建接触面点阵和销槽孔点阵。

基于相同的构思，还提出了木结构节点半刚性梁的性能确定装置，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述任一项所述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

通过多组刚性梁（或刚体约束）及非线性受力约束模拟钢木连接的真实受弯状况。通过接触区非线性受力约束可以考虑端面接触传压效应，可以模拟安装间隙所致的紧密接触前的滑移，正确定位截面转动中心，动态调节抗弯力臂长度。连接区非线性受力约束与销轴类紧固件分布完全对应，能准确模拟与转动中心连线处于不同角度的紧固件的受力状况，动态模拟紧固件的逐一破坏过程。

相较于常规仿真中采用的实体单元，所述多组刚性梁及非线性受力约束均为线单元，能大幅减少计算时长，且更容易收敛。受力约束参数能直接采用规范中关于紧固件的公式，在工程中认可度高，无需模拟木材各向异性本构以及销槽承压特性，后者参数往往需要依靠试验获取。通过编程语言批量化进行结构整体建模，可以与非连接区的常规梁单元直接相连，有针对性的模型精细度分区，能确保计算结果准确性的同时提高计算效率。

附图说明

图1为本发明背景技术中节点半刚性对K6单层木网壳稳定性能的影响的方案的示意图；

图2为本发明实施例1中考虑节点域轴向滑移刚度的K6型单层球面木网壳稳定性分析的原理示意图；

图3为本发明实施例1中的木结构节点半刚性梁的性能确定方法的流程图；

图4为本发明实施例1中的木网壳示意图；

图5为本发明实施例1中木网壳节点分解图；

图6（a）为本发明实施例1中的木构件部分示意图；

图6（b）为本发明实施例1中的木构件模拟点阵示意图；

图7（a）为本发明实施例1中的钢插板部分示意图；

图7（b）为本发明实施例1中的钢插板模拟点阵示意图；

图8为本发明实施例1中的接触仿真受力约束反义位移曲线一；

图9为本发明实施例1中的钢销仿真受力约束反义位移曲线二；

图10为本发明实施例1中关于初始间隙的示意图；

图11为本发明实施例1中的节点变形与反力示意图（非统一比例）；

图12为本发明实施例1中受力状态为端面全截面受压（受压或压弯）的示意图；

图13为本发明实施例1受力状态为端面一部分截面受压（受弯或压弯或拉弯）的示意图；

图14为本发明实施例1端面脱离（受拉或拉弯）的示意图。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

一种木结构节点半刚性梁的性能确定方法，流程图如图3所示，包括以下步骤：

步骤101：建立无半刚性连接的整体模型，作为示例，本实施例构建了某单层木网壳的无半刚性连接的整体模型，木网壳示意图如图4所示，木网壳包括木构件1、钢销2、钢毂3、钢插板4、接触面中心5和钢销群中心6，木网壳节点分解图如图5所示。

步骤102：获取输入连接信息，输入连接信息包括要连接的构件单元号、连接一侧的节点号、连接的类型以及连接的结构参数。输入连接信息用F(Element, Node, Type, K1, K2, K3,……)表示。Element为要连接的构件单元号，用于确定连接布置在哪一个构件单元。Node为连接一侧的节点号，用于确定连接布置在该构件单元的哪一端节点，填入I（起点）或J（终点）。Type为连接的类型，本实施例为插板类连接。K1, K2, K3, K4, K5为连接参数，对于插板类连接，K1为钢销行数，K2为钢销列数，K3为行距，K4为列距，K5为插板平面第二象限角部钢销的行边距，K6为角部钢销的列边距，K7为钢销直径，K8为钢插板的厚度。

步骤103：根据输入连接信息F的定位连接位置，在连接节点处建立局部坐标系，局部x轴由构件节点I（起点）指向J（终点），局部y轴使局部xy平面位于插板平面内，局部z轴由右手螺旋法则确定。

步骤104：读入构件单元高度，根据构件单元高度参数计算插板平面第三象限角部钢销的行边距，插板平面第三象限角部钢销的行边距=构件单元高度-(K1-1)×K3，依照设计规范对所有的边距、间距进行合规性判断。通过则进入下一步，不通过时提示是否回到步骤102修改连接信息，选择忽略提醒则进入下一步。

步骤105：对连接的木构件进行模拟，接触面中心5对应A0，钢销群中心6对应C0，A0与C0间通过刚性梁连接，C0以外为木构件梁单元。在接触面的高度方向按一定间距生成点阵A0, A1, A2,……，范围不超过木构件高，用于模拟木构件接触面。按钢销定位对应生成点阵C11, C12,……, C21, C22,……, C31, C32,……，用于模拟木构件销槽孔。所有Ai点及Ci点均位于xy平面内。将A0与其他Ai点做刚体约束，将C0与其他Ci点做刚体约束。木构件部分示意图如图6（a）所示，木构件模拟点阵示意图如图6（b）所示。

步骤106：对连接的钢构件进行模拟，在点阵A0, A1, A2,……相同位置生成点阵B0, B1, B2,……，在C0和点阵C11, C12,……, C21, C22,……, C31, C32,……相同位置生成D0和点阵D11, D12,……, D21, D22,……, D31, D32,……。D0与B0间通过刚性梁连接，B0与J间通过刚性梁连接。所有Ai点及Ci点均位于xy平面内。将B0与其他Bi点做刚体约束，将D0与其他Di点做刚体约束。钢插板部分示意图如图7（a）所示，钢插板模拟点阵示意图如图7（b）所示。

步骤107：在对应的A _i 与B _i 间建立局部坐标x轴单向受力约束，模拟端面接触。A _i 相对B _i 朝x正向位移时（脱离，对应图8中od段），约束反力为0。A _i 相对B _i 朝x反向位移时（挤压，对应图8中oabc段）约束反力分为三段：位移量在小于接触面间隙时（对应图8中oa段），约束反力为0；位移量大于间隙/>后且木材屈服前（对应图8中ab段），约束进入工作；约束对应从属高度范围内的木材进入屈服后（对应图8中bc段），约束反力不再增加。约束受力不随变形变化时的斜率可以设为接近0的极小值。公式如下：

式中，u为A _i 相对B _i 朝x正向位移，为弹簧反力，方向与相对位移相反，/>为木材顺纹弹性模量，/>为木梁在连接处的净宽，/>为受力约束对应节点A _i 按节点间平均分配的从属高度，/>为A ₀ 与C ₀ 之间的距离，/>为木材屈服应力标准值，/>是接触面间隙。

如果不考虑接触的影响，可以将间隙设置为一个极大值。如果不考虑接触面间隙，可以将间隙/>设置为0。

步骤108：

在对应的C _i 与D _i 间建立局部坐标xy平面双向受力约束，模拟钢销传力。C _i 相对D _i 位移量在小于槽孔与钢销的间隙时（对应图9中oa段），约束反力为0；位移量大于间隙/>后且钢销达到屈服承载力前（对应图9中ab段），约束进入工作；约束对应钢销达到屈服承载力后（对应图9中bc段），约束反力不再增加。约束受力不随变形变化时的斜率可以设为接近0的极小值。公式如下：

式中，u为C _i 相对D _i 的位移，为约束反力，方向与相对位移相反，/>为钢销滑移刚度，/>为钢销屈服承载力标准值，均按照欧洲木结构规范EC5的公式计算。需要注意，大小与/>相关，/>为销槽力与顺纹方向的夹角，/>，/>和/>分别为相对位移量的x向分量和y向分量，/>是钢销的间隙。接触面间隙/>和钢销的间隙/>的初始间隙示意图如图10所示。

步骤109：

建立连接间的木构件单元，完成新的整体模型。

步骤110：

运行计算，节点变形与反力示意图如图11所示。模拟接触后，转动中心不再是钢销群中心，而是在接触面上根据弹簧变形情况动态变化。正确定位转动中心后，才能正确计算钢销受力大小、角度以及相对转动中心的力臂长度，从而正确计算节点的抗弯承载力和刚度。该算例下，与仅考虑转动中心法的弯曲刚度的仿真方法相比，本发明的节点刚度提高最大约142%，结构极限承载力提高约18.4%。

本文方法更多是从原理上解决前人方法从理论上就有的缺陷，根本在于考虑受压和受弯的共同作用和相互影响。如果所述结构构件有不可忽略的受压状况，刚度和承载力提高较多。如果构件受拉控制，则于转动中心法结果接近。算例不同，结果相差也就不同。本算例为单层网壳，构件受压明显。

图12-图14给出了几类典型节点受力状态示意图：图12是受力状态为端面全截面受压（受压或压弯）的示意图；图13是受力状态为端面一部分截面受压（受弯或压弯或拉弯）的示意图；图14是端面脱离（受拉或拉弯）的示意图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.木结构节点半刚性梁的性能确定方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取木构件和钢构件之间的接触面，在木构件上，在接触面高度方向上生成用于模拟木结构接触面的接触面点阵，按照钢销定位对应生成用于模拟木构件销槽孔的销槽孔点阵，所述接触面点阵和销槽孔点阵在同一平面内，并且接触面点阵内做了刚体约束，销槽孔点阵内做了刚体约束；在与木构件连接的钢构件上，在所述接触面点阵对应的位置生成钢构件接触面点阵，在所述销槽孔点阵对应的位置生成钢构件销槽孔点阵，钢构件接触面点阵内部做了刚体约束，钢构件销槽孔点阵内部做了刚体约束；

在所述接触面点阵和对应的钢构件接触面点阵之间建立具有非线性性能的局部坐标x轴单向受力约束，模拟端面接触，计算端面接触单向受力约束受力；在所述销槽孔点阵和对应的钢构件销槽孔点阵之间建立具有非线性性能的局部坐标xy平面双向受力约束，模拟钢销传力，计算钢销传力双向受力约束受力；

根据所述端面接触单向受力约束受力和所述钢销传力双向受力约束受力建立完整模型，根据节点受力模式确定节点弯曲刚度以及轴向刚度，并计算节点的极限承载力，最终确定木结构节点半刚性梁的性能。

2.如权利要求1所述的木结构节点半刚性梁的性能确定方法，其特征在于，所述接触面点阵和所述销槽孔点阵根据半钢结构中木构件和钢构件的连接信息生成。

3.如权利要求2所述的木结构节点半刚性梁的性能确定方法，其特征在于，所述连接信息包括：要连接的构件单元号、连接一侧的节点号、连接的类型以及连接的结构参数。

4.如权利要求3所述的木结构节点半刚性梁的性能确定方法，其特征在于，对于插板类连接，所述连接的结构参数包括钢销行数、钢销列数、行距、列距、角部钢销的行边距、角部钢销的列边距、钢销直径和钢插板的厚度。

5.如权利要求3所述的木结构节点半刚性梁的性能确定方法，其特征在于，还包括根据所述连接信息，在连接节点处建立局部坐标系，使得局部x轴由构件节点起点指向终点，局部y轴使局部xy平面位于插板平面内，局部z轴满足右手螺旋法则，所述接触面点阵和销槽孔点阵在局部xy平面内。

6.如权利要求1所述的木结构节点半刚性梁的性能确定方法，其特征在于，所述端面接触弹簧受力的计算公式为：

式中，u为接触面点阵相对钢构件接触面点阵朝x正向的相对位移，F（u）为弹簧反力，方向与相对位移相反，E_t为木材顺纹弹性模量，b_n为木梁在连接处的净宽，h_i为弹簧对应接触面点阵在节点间平均分配的从属高度，为接触面中心与钢销群中心之间的距离，/>为木材屈服应力标准值，/>为接触面间隙。

7.如权利要求5所述的木结构节点半刚性梁的性能确定方法，其特征在于，所述钢销传力弹簧受力计算公式为：

式中，u为销槽孔点阵相对钢构件销槽孔点阵的相对位移，F(u)为弹簧反力，方向与相对位移相反，K为钢销滑移刚度，为钢销屈服承载力标准值，/>大小与/>相关，/>为销槽力与顺纹方向的夹角，/>，/>和/>分别为相对位移量的x向分量和y向分量，/>是钢销的间隙。

8.如权利要求1所述的木结构节点半刚性梁的性能确定方法，其特征在于，所述接触面点阵以接触面中心点为中心，在接触面的高度方向按预设间距生成线状点阵。

9.如权利要求1-8任一所述的木结构节点半刚性梁的性能确定方法，其特征在于，在构建接触面点阵和销槽孔点阵之前，还根据木构件的高度，计算高度方向另一侧的行边距，并根据边距、间距进行合规性判断，达到合规性标准才构建接触面点阵和销槽孔点阵。

10.木结构节点半刚性梁的性能确定装置，其特征在于，包括至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行权利要求1至9中任一项所述的方法。