古建筑木结构关键节点及构架受力性能研究

发布时间：2020-10-23 02:35

　　 古代建筑是传统文化的重要载体,但其年代久远,历经环境荷载作用以及人为破坏的影响,伴随着木材的疲劳腐蚀和材料老化现象,木材、节点和构件的损伤变形增加,结构承载力变弱,结构的可靠性和稳定性降低。为了修复和保护具有传统文化和历史价值的古建筑木结构,需对其受力性能进行系统深入的研究。节点作为结构体系的薄弱环节,对整个结构的强度、刚度及延性都具有重要的影响作用。因此,对关键节点进行受力性能分析,建立适用于结构分析的简化模型,是准确分析结构整体受力性能和结构状态评估的前提。本文主要针对柱脚节点和透榫节点的受力性能开展研究,划分了柱脚节点和透榫节点的工作状态,给出了工作状态的判定条件。建立了全工作状态下,柱脚剩余弯矩、转动弯矩以及木柱抗侧力与几何、材料和荷载参数之间的力学模型和考虑缝隙及不对称性的松动透榫节点转动弯矩理论模型。通过足尺试验和数值模拟,验证了理论模型的正确性,研究了水平反复荷载作用下柱脚和榫卯节点的变形特征和应力状态,并对节点受力性能进行了参数分析,提出了参数影响因子的计算方法,进行了参数灵敏度分析,得到了影响柱脚受力性能的最敏感参数是竖向荷载,榫卯节点的最敏感参数是榫高。基于理论模型、数值模拟和足尺试验,提出了包括节点特征状态和极限状态的平摆浮搁柱脚节点和松动透榫节点的等效有限元模型,为古建筑木结构整体模型的建立提供了坚实的技术储备。应用能反映节点运动机理和受力性能的转动弹簧单元和代表梁(枋)、柱的杆单元,建立了一榀构架杆系单元模型,提高了计算效率。通过一榀构架实体单元模型验证了杆系模型的正确性,分析了一榀构架的抗侧能力和极限状态,刚接、铰接和半刚接节点对构架受力性能的影响,以及柱脚和榫卯节点对整体构架总弯矩的贡献。研究成果可为古建筑木结构整体受力性能分析、结构状态评估和保护修缮等提供良好的计算依据。图126幅,表15个,参考文献119篇。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU366.2
【部分图文】：

中国古建筑木结构主要由承托屋面的屋盖梁架、承重和抗侧的木构架和围护、??隔断的墙体构成。木构架的典型特征是梁、枋和柱等构件由榫卯、斗拱和柱脚节??点连接（图１－２）。节点的连接方式是将连接处构件的截面削弱，梁端形成榫头，??柱身做成卯口的样式，将梁端榫头插入柱身卯口中，形成图１－３所示的插接节点，??与现代的钢结构、混凝土结构节点完全不同。由节点的特殊构造可知，构件截面??较富余，安全冗余度较高，但节点处存在截面削弱，成为结构的薄弱环节，较易??发生破坏；此外，古建筑木结构建造年代较久远，历经了多次战争等人为破坏，??以及材料性能退化，风、雪和温度等自然荷载，地震、洪涝等偶然荷载的外部作??用后，古建筑木结构节点损伤累计增加；并且，许多古建筑近年来还承受着以前??较小或较少但日益增加的人群荷载和交通荷载，造成了既有损伤的累积，这些损??伤随时间的增长表现出逐渐恶化的趋势

古建筑木结构的节点类型多种多样，其转动刚度不仅与节点类性及外部荷载有关，而且与节点的工作状态有关（陈志勇，２０１１；陈）。节点的转动刚度对评估古建筑木结构整体构架的受力性能，尤其是下的耗能能力、极限荷载和极限位移等有重要影响。在进行整体构架析时，需要建立结构整体有限元模型。在建模的过程中，需要用合理来对构造形式不同的节点进行简化。??柱脚和透榫节点是组成结构下部柱框层的关键节点，明确节点的基本古建筑木结构整体力学性能研宄的基础。因此，本文以柱脚和透榫节筑木结构中的关键节点为研宂对象，提出能够描述多种受力状态及摇脚节点和考虑缝隙及不对称性的透榫节点理论力学模型。基于全工作的理论模型，建立适用于结构整体受力性能分析的节点等效有限元模各节点的受力性能后，建立一榀构架杆系简化模型，提出科学的、合普适性的古建筑木结构构架建模方法。本文的研宄成果可为准确地分结构整体受力性能提供坚实的计算依据，具有重要的研宄价值和工程意

由于木柱与础石之间没有工程意义上的连接，在地震、风荷载等反复作用下，??础石不能限制柱脚的位移，柱脚会滑移或会绕柱脚边缘转动。目前，国内外学者??对柱脚节点的研宄主要分为柱脚节点的摩擦滑移、转动性能及节点简化三个方面。??在柱脚节点的摩擦滑移研究方面，张鹏程（２００２）通过实体缩尺模型进行了??振动台试验，定量测试了结构关键部位的位移、变形和耗能等，指出柱础间断离??浮置、摩擦滑移能耗散部分地震能量；李小伟（２００９）进行了地震作用下清代九??檩大式殿堂的动力特性研宄，指出柱脚的摩擦、耗能等作用能有效提高结构的抗??震能力；随后，隋龔和赵鸿铁（２０１０）通过木构架缩尺模型的振动台试验，关注??了结构关键位置的位移及加速度，分析了结构的动力反应、破坏形态、滞回耗能??等动力特性。周乾（２０１０）也通过对故宫神武门进行数值模拟，采用虚拟激励法??研宄了柱脚滑移对地震激励下结构的位移和加速度响应功率谱的影响，指出柱脚??的摩擦滑移对结构的耗能、隔振抗震具有显著的优化效果。上述研宄主要关注了??柱脚的减震隔振作用，基本揭示了柱脚滑移能有效减小地震传到结构上部的力和??弯矩，减弱结构在地震作用下的加速度、位移等动力响应，起到了减震隔振的效??果。此外，学者们也关注了柱脚的摩擦系数和滑移特性等。张鹏程（２００３）通过??
【参考文献】

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本文编号：2852438