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結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間采用榫卯連接是中國古建筑木結(jié)構(gòu)的一大特色。用于連接承重木構(gòu)架梁柱構(gòu)件的榫卯主要有：燕尾榫、箍頭榫、透榫和半榫等。其中燕尾榫因?yàn)殚绢^端部寬、根部窄，具有良好的抗拔能力而被廣泛應(yīng)用于柱頭與額枋的連接。由于榫卯連接是一種不同于鉸接和剛接的連接方式，其剛度特性引起了大批研究者的關(guān)注。
趙鴻鐵等參照《營造法式》中的做法制作了1:3.52的單間一榀燕尾榫縮尺木構(gòu)架模型，研究了燕尾榫的半剛性連接特性和剛度退化規(guī)律，擬合出了榫卯節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角的關(guān)系方程和恢復(fù)力模型。徐剛明等通過對5個按照清代《工程做法則例》的做法制作的燕尾榫節(jié)點(diǎn)模型在反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)具有很好的變形能力，節(jié)點(diǎn)破壞形式為拔榫破壞。淳慶等通過對包含燕尾榫在內(nèi)的4種典型榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，獲取了這4種典型榫卯節(jié)點(diǎn)在水平荷載作用下的破壞模式、滯回曲線、骨架曲線以及轉(zhuǎn)角剛度，并提出了考慮屈服下降段的三折線模型。
目前的研究方法多采用試驗(yàn)研究，其不足之處是代價高，且數(shù)據(jù)的獲取不夠方便和精確。本文采用大型通用非線性有限元分析軟件Abaqus，結(jié)合文獻(xiàn)采用的試驗(yàn)尺寸，建立燕尾榫節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化有限元模型，研究燕尾榫節(jié)點(diǎn)的剛度特性和抗震性能。
文獻(xiàn)試驗(yàn)柱架尺寸：柱徑210mm，梁截面120mm×180mm，燕尾榫榫頭端部寬60mm，榫頭根部寬50mm。由于模型對稱，為節(jié)約計算資源，可取半結(jié)構(gòu)建立精細(xì)化有限元模型。柱底和梁端分別通過與相應(yīng)參考點(diǎn)耦合建立鉸支座約束，以梁端榫頭為從面，以柱端卯口為主面建立接觸對，接觸屬性設(shè)為法向硬接觸、切向庫倫摩擦，摩擦系數(shù)取0.2。計算單元采用計算精度較高的三維八節(jié)點(diǎn)六面體線性非協(xié)調(diào)單元C3D8I，運(yùn)用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，通過切分模型，在接觸區(qū)域附近細(xì)化網(wǎng)格。
木材通常被認(rèn)作正交各項(xiàng)異性材料，試驗(yàn)采用的東北紅松的材性試驗(yàn)結(jié)果。其中下標(biāo)1、2、3分別代表木材的徑向、弦向和縱向。通過在Abaqus中賦予單元材料方向可以定義材料的正交各項(xiàng)異性。
在彈性階段，木材的本構(gòu)關(guān)系可以由E1~G239個工程常數(shù)來決定。木材的塑性特性采用Hill準(zhǔn)則模擬，參考屈服強(qiáng)度取木材順紋受壓強(qiáng)度34.76MPa，塑性發(fā)展考慮為理想彈塑性模型，根據(jù)木材各強(qiáng)度大小比值關(guān)系，計算出Hill準(zhǔn)則的 6個屈服應(yīng)力比R11~R23。
為考慮P-∆效應(yīng)的影響，采用柱端加載方案。通過建立在柱頂并與柱頂截面耦合的參考點(diǎn)施加水平和豎向荷載。豎向設(shè)計荷載為10kN，先于水平荷載施加在柱端，使榫卯接觸關(guān)系平穩(wěn)建立起來。水平加載采用變幅值位移加載，初始值10mm，每級位移增量10mm，循環(huán)加載至最大位移幅值200mm。計算過程中通過設(shè)置軟件中的Nlgeom；開關(guān)為On來考慮幾何非線性。
在豎向荷載和水平低周反復(fù)荷載作用下，榫頭逐漸從卯口中拔出，榫頭端部和卯口邊緣應(yīng)力增大，相繼進(jìn)入塑性發(fā)展。此時榫頭從卯口中拔出約20mm，節(jié)點(diǎn)承載力下降，可認(rèn)定連接已經(jīng)失效。
通過梁端支座反力計算節(jié)點(diǎn)彎矩，通過分別柱端轉(zhuǎn)角和梁端轉(zhuǎn)角計算節(jié)點(diǎn)相對轉(zhuǎn)角，得到燕尾榫節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角(M-θ)滯回曲線。可見燕尾榫節(jié)點(diǎn)滯回曲線呈反Z形，表現(xiàn)出大量的滑移特征，滯回環(huán)面積逐漸擴(kuò)大，反映出燕尾榫較強(qiáng)的耗能能力。
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