[发明专利]一种木结构用齿板连接节点受力性能的数值模拟方法

说明书

本发明提出的一种木结构用齿板连接节点受力性能的数值模拟方，属于工程结构仿真技术领域，该方法均采用平面应力单元模拟木构件和齿板面板单元，采用2节点自定义单元模拟单个齿连接，首先建立有限元模型、确定输入参数、输出参数并生成有限元模型数据文件，其中，定义自定义单元的材性参数包括：用于描述4种标准工况下齿连接荷载‑位移曲线的参数、齿板主轴方向与全局坐标系x轴的夹角β_s、木构件的纹理方向与全局坐标系x轴的夹角β_w；然后获取有限元模型数据文件的数据，求解有限元模型并输出结果到结果数据文件中。本发明所需模型参数较易确定，可适用于各种齿板形状、多种木材纹理及齿板主轴方向等复杂工况下齿板节点的受力性能的模拟。

技术领域

本发明涉及一种木结构用齿板连接节点受力性能的数值模拟方法，属于工程结构仿真技术领域。

背景技术

齿板于上世纪50年代初期发明，是通过采用专用模具在由镀锌薄钢板构成的面板上冲压出齿的方法制造的。齿板有多种类型，其形状、尺寸也各异。如图1所示，一个典型的齿板1由面板11、在面板11上开的槽孔12以及槽孔两边竖立的齿13组成。规定平行于开槽方向为齿板主轴方向，垂直于开槽方向为齿板次轴方向。齿板主要用于制作轻型木桁架，将加工后的木构件按图纸摆放好，采用平板压机或滚轮压机将齿板压入木构件连接处形成齿板连接节点，如图2所示，其中2为木构件，1为齿板，齿板的齿13压入木构件2内，将木构件的顺纹方向称为木材纹理方向。多个齿板连接节点和木构件形成轻型木桁架，也称为齿板桁架。

在北美，轻型木桁架工业非常发达，超过60％的木结构住宅的屋顶采用轻型木桁架(Canada Wood,International Building series No.2.Wood Trusses Strength,Economy,Versatility)。木结构房屋的安全性与轻型木桁架的受力性能密切相关，而轻型木桁架的受力性能一般是由齿板连接节点的受力性能决定。齿板连接节点的工作状态比较复杂，其受力性能随着荷载与木材纹理及荷载与齿板主轴方向的角度不同而不同。实际上齿板连接是一种广义的钉连接，其受力性能受齿板材料、尺寸及被连接木材的材性等多个因素的影响。板齿可看成是一种扁钉，其受力性能受木材纹理方向影响，且面板上开槽造成了面板在主轴方向和次轴方向的性能有差异。在荷载作用下，根据齿板连接节点的构造及受力方式不同，齿板的破坏包括齿拔出、齿板抗拉破坏及齿板剪切破坏等多种形式。

由于轻型木桁架的受力性能一般是由齿板连接节点的受力性能决定的，故对轻型木桁架的模拟的重点即是对齿板连接节点受力性能的模拟。下面列举2种现有的齿板连接节点受力性能模拟方法。

我国《轻型木桁架设计规范》推荐了一种模拟轻型木桁架受力性能的方法：用杆单元(element)模拟轻型木桁架杆件，尽量保证有限元模型中的杆单元与实际桁架的木构件轴线一致，各个杆件之间通过铰连接。图3给出了一个轻型木桁架的局部示意图，图中实线部分表示的是组成轻型木桁架的木构件2，由上弦杆、下弦杆及其连接处设置的一个楔形木垫块21组成，各个杆件之间通过齿板连接联系在一起。按我国《轻型木桁架设计规范》方法进行模拟时，图中的虚线即为模拟木构件的杆单元22，由于上、下弦杆轴线的交点在下弦杆外，且为了考虑垫块的影响，模拟时需在端节点(node)处设置一根竖向虚拟杆单元L1-L2，且在上弦杆端部设置一根虚拟杆单元L1-L3，这些虚拟杆件与模拟木构件的单元22及各个杆单元连接处的铰接节点23共同组成轻型木桁架有限元模型。这种方法的不足主要体现在两方面：1)虚拟杆单元的引入导致有限元模型与桁架实际构造不一致，虚拟杆件的截面、弹性模量等参数确定方法较为复杂，通用性差；2)采用铰接的简化方式不能模拟齿板连接节点的半刚性受力性能，准确度较低。