宋式传统木结构抗震性能及抗震机理研究

发布时间：2020-10-23 11:44

　　 留存下来的中国古建筑是历史记忆、文化发展、文明进步的载体,木结构古建筑是其重要组成部分。得益于其卓越的结构性能,传统木结构甚至可屹立千年不倒,为中国传统文化以及古人建筑技术的研究提供了重要素材。然而,自然环境的侵蚀、荷载的持续作用、偶发灾害(地震、大风)等导致现存的古建筑木结构承载性能显著降低。对这些建筑的修缮加固是使其“延年益寿”的主要途径,改善或恢复其抗震性能是修缮加固工作的重要内容。科学地研究传统木结构的抗震性能、合理地揭示木结构的抗震机理是木结构抗震加固的重要前提,也是进行木结构修缮工作的重要参考。基于古建筑木结构抗震加固工作的需求,本文在国家自然科学基金项目(51338001,51278324)的支持下,以中国宋式传统木结构为研究对象,参照《营造法式》设计并制作了一个含柱架层和斗拱层的1:2整体木构架缩尺模型。对该模型进行了六次拟静力测试,研究了整体木构架,柱架层及斗拱层的滞回性能,分析了竖向荷载和加载历程对木构架抗震性能的影响,并从能量角度揭示了此类木结构的抗震机理。主要研究成果如下:(1)通过初次加载和重复加载两个阶段的测试,研究了不同竖向荷载下整体木构架的滞回特性、变形和承载性能、刚度变化特征及耗能特性,并定量分析了重复加载导致的木构架承载力、刚度和耗能变化。结果表明,随着水平位移幅值和木构架所经历加载历程的不同,重复加载导致木构架承载力下降5%-24%,刚度下降1%-36%,耗能下降4%-26%,然而木构架的变形和耗能能力不受加载历程的影响,结构具有良好的承受多次水平荷载作用的能力。(2)基于整体木构架的拟静力测试,分析了斗拱层和柱架层协同工作时各结构层的滞回特性。研究结果表明,相对于斗拱层,柱架层承载力和刚度均较低,当柱架层已经屈服,甚至接近倾覆时,斗拱层仍处于弹性状态;柱架层对结构耗能起决定性作用,六次测试中木构架80%以上的耗能均来自于柱架层;此类木结构的滞回特性可完全反映于柱架层。(3)此类木结构的恢复力特性可用双线型线性强化弹塑性模型表征,竖向荷载及重复加载的影响可反映于模型各特征段刚度的差异;木构架恢复力的理论分析表明,柱摇摆及榫卯节点的弯矩抵抗力是此类木结构恢复力的主要来源。(4)基于能量转化的木构架抗震机理分析表明,木构架位移幅值较小时,输入结构的能量主要转化为滞回耗能和木构件的弹性应变能;随着木构架位移幅值增大,重力势能的存储对结构抗震的影响越来越显著,结构在大变形下,60%的输入能量可转化为重力势能储存于木结构,极大的减小了木构件的损坏。这种能量转化机制是木结构抵抗多次地震,尤其是大震的重要手段,也是此类木结构耗能能力弱而抗震性能好的重要原因。此外,采用Abaqus有限元软件对木构架抗震机理的模拟分析与试验结果能较好的吻合。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU366.2;TU352.11
【部分图文】：

（a）未变形 （b）滑移 （c）摇摆 （d）滑移摇摆图 1-1 水平荷载作用下柱脚变形Fig. 1-1 Deformation of column foot under lateral loads贺俊筱等[19-21]对参照《营造法式》制作的足尺七等材单柱模型的拟静力测试表明水平反复荷载作用下木结构柱更易沿柱脚边缘转动而产生摇摆（图 1-2a），并且在测试过程中柱脚未出现滑移现象；木柱的滞回曲线有明显的捏拢效应（图 1-2b），表明其耗能能力较弱；柱脚节点具有较大的初始转动刚度，随着柱顶水平位移增大，其刚度产生明显退化，说明柱的抗侧移能力随着变形增大而下降；柱脚恢复弯矩，转动刚度及柱脚边缘应变均随竖向荷载的增大而增大，竖向荷载的增大也会增加摇摆过程中柱底的有效受压面积。贺俊筱等[21]和 Qin 等[22]研究了木结构柱高径比对其抗侧移能力的影响，结果表明木结构柱的侧移刚度，耗能能力和极限弯矩抵抗力均随柱高径比的增大而降低，但随着柱变形量的增大，高径比对其侧移刚度的影响下降。He 等[23]和 Wang 等[24, 25]理论

可分为单向直榫（图 1-4a），透榫（图 1-4b），半透榫（图 1-4水平外荷载作用下，既可以发生转动，同时转动引起的榫头产生一定的弯矩抵抗能力，因而榫卯节点既非铰结点，也非性结点性质的连接[26-28]。

直榫连接
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本文编号：2852990