古建木结构震害模拟与库藏文物减震措施研究

发布时间：2019-11-16 16:30

【摘要】：我国历史上,著名的1679年三河平谷8.0级地震,1976年唐山7.8级大地震,2008年汶川8.0级地震,2013年芦山7.0级地震等均造成当地大量古建木结构建筑严重破坏或损毁,将来木结构建筑仍然有很大几率遭受到破坏性的地震,所以研究古建木结构建筑群震害,对人类文化遗产的古建木结构的保护具有重要意义。围绕这一目的,本文主要完成了以下几方面的工作:(1)认真阅读《营造法式》等重要古建筑书籍和其他文献资料,对我国木结构发展史、演化过程、基本结构形式,同时对柱础、榫卯、斗拱抗震性能机理等做了简单阐述,对古建木结构建筑的抗震机理及抗震效果做了简要分析。得到的基本认识是,柱础与柱石之间放置的方式为浮放,实现了天然隔震,榫卯通过榫头卯口的相对挤压产生的耗能能力降低了木结构建筑的地震反应。(2)为能够实现具有上述特征的古建木结构地震反应分析,本文采用LSDYNA非线性有限元分析软件作为基本分析工具进行研究。介绍了LS-DYNA的计算理论、计算流程、时间积分方法及分析中所采用的单元(梁单元、壳单元、阻尼单元等)及相应的单元特性,古建木结构的榫卯节点采用弹簧阻尼单元进行模拟,对应的力学参数根据相关文献的实验结果进行取值;木材梁柱构件使用梁单元模拟,在计算中认为始终处于弹性阶段,均按弹性构件进行考虑;墙体和屋面在有限元计算中使用壳单元模拟。(3)为了研究木结构建筑群的震害,采用LS-DYNA软件以太和殿、中和殿、保和殿、文华殿四座木结构建筑为例,选择1976年唐山地震北京饭店记录和1999年台湾集集地震动两条地震动,从对应于地震烈度分别为6度、7度、8度、9度的四个危险性等级(0.05g、0.1g、0.2g、0.4g),对上述古建结构进行了非线性地震反应分析。以结构位移、加速度反应时程为基本参数分析,获得结构关键节点的加速度放大系数和层间位移角,给出了结构在不同地震动水平的地震反应,分析推演了古建木结构建筑群的地震震害现象。(4)通过对典型古建木结构建筑内原状陈列的木质供桌及其上浮放文物地地震反应数值模拟分析,得到原状陈列文物在不同地震烈度下的震害现象,结合木结构建筑本身的震害,可以得出古建结构及内部文物的总体震害。同时本文针对故宫地库中文物储藏柜缺少必要抗震措施的问题,设计了一种以粘滞阻尼器为核心的模块化装配式减震装置,在尽量减小对库房的环境干扰的前提下进行减震措施可行性分析。以使用该种设计方法的两种不同文物柜的布置形式为例进行减震效果非线性数值模拟分析,发现该减震措施可以实现文物柜地震反应加速度、位移同时降低50%以上的良好减震效果。为库房文物柜防震提出了利用现代耗能减震装置的实用减震方案。
【图文】：

示意图,梁柱,示意图

研究背景及研究意义我国古建木结构历史悠久，是华夏文明的重要组成部分。土和木是早期人作中最易获得材料。根据考古发现，早在旧石器时代晚期，已有中国古人穴”和“构木为巢”的原始营造遗迹，构成了古代木结构建筑的基础[16]中国古代木结构主要分成两类体系：梁柱式构架（如图 1-1 所示）和穿斗图 1-2 所示）。梁柱式构件中柱网下的基础为石础，柱网上部以榫卯或斗梁，短柱再立与横梁之上，承托更上一层横梁。横梁跨度自上而下逐层增坡形屋顶构造。在大多数建筑中，柱网由内槽柱与外槽柱两圈组成，通过平构件与圈柱间相连，梁柱构架的整体刚度得以保证[41]。穿斗式构架的主要构件有柱、梁、斗坊和檩子。穿坊与柱子相连形成木排与柱子在纵向相连，可以起到固定排架的作用，从而形成木框架。斗坊上子，，纤子上部放置楼板[41]。

示意图,穿斗式构架,示意图

【参考文献】