纳西建筑结构性能的研究-以丽江古城管理中心为例

发布时间：2014-09-10 15:23

【摘要】 云南纳西建筑是纳西族文化的载体,是纳西人民精神的寄托。但城市化进程中,越来越多的木结构被钢筋混凝土结构替代,土坯砖被砌块替代,纳西建筑也正面临着前所未有的挑战。但是,作者认为继承和弘扬纳西建筑中精华部分,符合当今可持续发展理念,同时也满足人们对居住文化多样性的需求。现阶段,在结构方面,对大式木结构建筑的研究,比如大型古代宫殿等已经取得了很多的学术成果,但在小式木结构建筑,特别是传统民居的研究方面,研究成果比较少。作者通过阅读关于木结构的文献发现：现有的研究极少考虑土坯填充墙对木结构动力特性的影响；现有研究大多为3开间且多数为单层；现行抗震规范对8度设防的穿斗木结构,要求高度限值为6m。而本文所研究的丽江古城管理中心工程项目中的木结构,以上所列出的几点都不满足,所以有必要结合传统的纳西建筑工程做法,对其结构性能进行分析。本文的主要研究工作：1.通过土坯的抗压试验研究,分析土坯的抗压力学性能,得出稻草的最优掺量,并利用所得土坯的荷载位移曲线,初步拟合土坯填充墙的刚度,为后续有限元分析提供数据支持。2.为纳西建筑梁柱截面尺寸选择提供一种可行的方法。一方面,根据传统纳西建筑截面选择的经验进行截面选择。另一方面,通过简单的计算分析进行截面选择：首先通过对单榀木构架进行动力学分析,确定木构架的自振周期,再运用底部剪力法计算结构在地震作用下的水平力,得到梁柱截面受力情况,并进行截面校核。将上述两个方面结合,可以弥补只靠传统经验来选择截面的不足。3.运用有限元软件ANSYS,进行D院落正房在重力荷载代表值作用下的内力分析和在地震作用下的内力分析,并根据《木结构设计规范GB50005-2003》和《建筑抗震设计规范G850011-2010》对梁柱截面进行验算,满足现行设计规范要求。4.将土坯填充墙引入三维模型,分析土坯填充墙刚度对纳西建筑结构动力性能的影响,得到土坯填充墙对木结构周期折减系数。并且,分析了布置土坯填充墙木构架数量和总木构架数量的比值(土坯墙填充率)对周期折减系数的影响。最后,作者对本课题的研究工作进行概括和总结,并对课题需要进一步分析和完善的部分进行展望。
 
【关键词】 纳西建筑； 木结构； 土坯抗压试验； ANSYS分析； 周期折减系数；

1绪论

1.1本课题的研究背景和意义
在过去的30年里,我们开始的城市化运动,将近4亿的农村人口变为城镇人口,毋庸置疑,这是人类历史上的一大壮举。但是随着城市化程度的深入,存在的问题和矛盾也随之凸显。在建筑方面,表现为居住文化趋于雷同,越来越多的城镇趋近于清一色的“钢筋混凝土丛林”,城市变得大相径庭,毫无特色可言。与此同时,具有悠久历史和文化积淀的传统民居、承载着人们无数回忆和精神寄托的乡土建筑正处在消失的边缘。当时代的脚步迈入21世纪,能源危机、环境污染、人口激增、生态失衡等问题日益突出,这些问题严重威胁着人类的生存,制约着人类的可持续发展。自然而然的,自然、绿色和可持续发展开始成为世界共同关注的主题。作为人们生活、工作、娱乐、休息的重要组成部分的建筑,也应该符合自然、绿色和可持续发展的要求。那么,如何才能建造出符合可持续发展的建筑呢?不少学者、建筑师将目光投向有着五千多年历史文化积淀的中国传统建筑。这些古建筑在数千年的发展过程中,逐渐适应自然环境,并且最终达到了与自然环境的高度协调,具有很高的研究价值。具体就云南地区而言,云南是高烈度区,对房屋的抗震要求比较高。中国古建筑中的木结构,有着及其优越的抗震性能,很好的满足了这种需求,所以木结构在云南传统民居中运用十分广泛。另外,云南的日温差很大,要求建筑墙体具有很好的热工性能。
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1.2本课题的研究现状
国内对带土还围护墙的木结构的研究,都是忽略土还填充墙刚度对木结构动力特性的影响。现有研究主要是把木结构和土还墙归为两种不同的结构体系加以考虑:木结构,特别是大型宫殿建筑方面己经做了许多的研究,取得了很多的研究成果。生土结构,主要包括土还、穷土和整洞三部分,对其中土还的研究,也己经取得不少的研究成果。具体如下:[1].对木结构的研究:清华大学方东平[1]通过对西安北门箭楼的结构特性的现场实测实验,获得了大量的动力特性数据,比如自振周期和模态等。定义了木结构卯榫半刚性节点单元,并将其引入到自己研制的有限元动力分析软件中。通过软件对西安北门箭楼的动力特性进行分析,分析结果与实测结果吻合较好。长安大学赵均海通过对西安东门城楼的结构特性研究,建立力学模型,并将梁柱的榫卯连接简化为变刚度单元,通过改变虚拟单元的刚度,得出在不同刚度条件下的结构受力性能。西安建筑科技大学薛建阳、赵鸿铁?通过模拟地震振动台试验对一殿堂木结构进行了结构动力特性和地震响应的规律研究。研究结果证明了中国木结构古建筑耗能与减震性能方面的优点。长安大学王毅红“研究了木结构在不用烈度的地震作用下的震害特点,并用ANSYS对西安回民保护区内的一典型木结构房屋进行了内力分析和承载力计算,并对木结构在抗震过程中存在的问题加以指出,并结合实际,给出了一些抗震加强措施。
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2.丽江古城管理中心项目与纳西建筑

2.1丽江古城管理中心项目
2.1.1项目背景
丽江古城东郊为火车站至丽江城市的主要入口,代表着丽江城市的东大门形象,同时也是世界遗产地,5A级旅游景区丽江古城的协调区。该区域现有建筑多为现代大体量形式,与古城整体风貌不协调,影响古城东部整体视觉效果。目前在《丽江古城东郊环境整治控制性详细规划》的指导下,通过相关部门的努力,东郊环境整治项目逐步实施,工作已取得初步成效。本项目用地为原武警一中队用地,地处东郊环境整治范围内,原有建筑风貌及体量与古城建筑风貌极不协调。在武警一中队迁出后,该用地一直处于半荒废的状态,通过本次整治建设,可解决丽江古城保护管理局各科室及下属管理公司,研究机构等众多单位的办公问题。同时可以极大提升古城东郊的环境品质。建筑设计场地现状:本项目建设用地地处丽江古城保护范围的缓冲区,东侧为城市支路,北侧为古城巷道。西侧为金府大饭店,南侧为古城居民住宅。用地海拔为2391-2387m,整个场地北高南低,东高西低。南北向自然坡度为8%,西南向与相邻用地间有二至三米的高差。场地周边市政管网均可连接,场地无不良地质构造,适宜建设。场地南侧有古树及泉眼,利于营造水景观。
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2.2云南民居与纳西建筑
2.2.1云南地震情况和展害简介
云南全省约有84%的土地位于地震带上,地震活动十分频繁。作者通过中国地震台网,从1970年01月01日至2014年01月01日的44年时间中,对云南的地震活动情况做了简单的统计分析。发生5级以上地震100次,平均一年发生2.3年次;6级以上地震17次,平均2.5年发生一次。本文研究的主要是纳西建筑,纳西建筑多以穿斗木构架作为承重结构,土还作为围护墙体。穿斗木构架具有较好的抗震性能,其特点主要是承重体系与围护结构分开、梁柱采用卯榫连接、施工工艺较为传统等。穿斗木构架,由于有卯榫的存在,在地震中有很好的耗能能力。但另一方面,卯榫连接又削弱了截面,使得梁柱在连接处产生薄弱环节。穿斗木构架具体破坏形式主要有:第一是木柱发生断裂,由于截面被削弱或是柱子本身存在木节等缺陷造成;第二是梁柱连接破坏,楼板木楞等处的卯榫发生脱榫现象造成结构破坏;第三是房屋整体发生倾斜,有的甚至倒塌。产生这种现象的原因是穿斗木构架抗侧刚度较小;第四,柱子和柱子基础发生较大的相当位移,造成结构破坏。土还围护棚体的破坏形式,主要表现在山墙发生破坏、后墙在地震摇晃中发生外闪、山墙和后墙在连接处发生破坏等。
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本文编号：8778