中国木结构古建筑抗震性能的研究

论文摘要

中国木结构古建筑有着其独特的结构体系,是我国重要的古建筑文化遗产,具有重要的艺术价值、历史意义和科学价值。本文以殿堂木结构为研究对象,通过试验分析、理论分析和数值模拟,推导出了榫卯节点和铺作层之间的半刚性单元的刚度矩阵,即采用组合式弹簧单元作为柱脚与础石、榫卯节点和铺作层之间的连接单元,对其有限元模型进了地震反应分析,随后建立木结构古建筑的动力方程,对其隔振性能进行了研究,并通过对《营造法式》中的殿堂和厅堂模型结构的分析,求解出了结构各个层面的地震放大系数,并提出了相应的加固措施。通过对木结构古建筑抗震性能的研究,可为其保护、维修、加固提供理论依据和技术参考,对现代结构抗震研究也具有重要的借鉴意义。本文对木结构古建筑结构体系的产生和发展做了简单的概述,对其结构体系、构造的力学特性进行了简单的分析,并根据相关的研究文献和《营造法式》中的木结构建筑,对木结构的结构体系进行了抗震性能的研究和力学特性的理论研究和分析。分析结果表明:木结构古建筑具有较好的抗震性能,其抗震性能主要体现在基础的隔振、榫卯节点和铺作层之间的弹塑性变形、摩擦滑移而隔振耗能。全文的主要内容和结论如下:假定榫卯节点和斗栱为半刚性单元,根据相关的半刚性节点理论和木结构古建筑模型的振动台实验确定榫卯节点和斗栱的刚度系数,应用有限元软件SAP2000建立了木结构试验三维有限元分析模型,对模型进行动力特性和地震反应分析,探讨模型的振动形态和抗震性能,并对其进行隔振分析,建立隔振体系的力学模型和动力平衡方程,通过数学分析软件MATLAB计算出隔振率,结果反应出木结构古建筑具有较好抗震机理和隔振性能。与此同时,根据前文分析的理论和依据,并依据《营造法式》中二等材殿堂等七铺作(副阶五铺作)双槽草架侧样图样和厅堂等十架椽间缝内用梁柱侧样(十架椽屋分心用三柱)图样结构,采用有限元分析软件ANSYS9.0,建立了的有限元分析模型,对其进行了动力特性和地震反应分析。分析的结果表明:木结构古建筑具有较好的抗震和隔振性能,不论殿堂还是厅堂,其结构整体动力放大系数均为0.445。根据分析结果和结构在地震中的破坏特点,提出了采用三维环向延时阻尼器加固木结构的方法,对现代结构抗加固也具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 木结构古建筑的结构特性
• 1.2.2 木结构古建筑的抗震分析方法及抗震性能
• 1.2.3 木结构古建筑的分析模型
• 1.2.4 本文研究的内容和目的
• 2 中国木结构古建筑的结构特征
• 2.1 中国木结构古建筑的发展简史
• 2.2 中国木结构古建筑的结构基本组成
• 2.3 中国木结构古建筑的结构特性
• 3 中国木结构古建筑模型的振动台实验研究
• 3.1 模型的设计与制作
• 3.2 试验步骤及测试内容
• 3.3 试验结果及分析
• 3.4 本章小结
• 4 木结构试验模型的有限元模型及动力特性分析
• 4.1 有限元分析理论基础
• 4.1.1 木结构的本构关系
• 4.1.2 模型单元的选择
• 4.1.3 模型基本参数的确定
• 4.1.4 模型的建立
• 4.2 模态分析理论
• 4.3 模态分析结果
• 4.4 本章小结
• 5 木结构试验模型的时程分析
• 5.1 时程分析理论
• 5.2 时程分析结果
• 5.3 本章小结
• 6 木结构试验模型的隔振性能分析
• 6.1 隔振原理
• 6.2 木结构古建筑隔振性能分析
• 6.3 木结构古建筑隔振性能
• 6.4 本章小结
• 7 古代殿堂和厅堂木结构古建筑抗震分析和加固探讨
• 7.1 木结构古建筑图样简介
• 7.2 模型建立
• 7.3 木结构古建筑动力特性分析
• 7.3.1 试验模型的自振周期和频率
• 7.3.2 殿堂结构的自振周期和频率
• 7.3.3 厅堂结构的自振周期和频率
• 7.3.4 殿堂和厅堂结构自振周期和频率的对比
• 7.4 地震反应分析
• 7.4.1 厅堂结构的地震反应分析
• 7.4.2 殿堂结构的地震反应分析
• 7.5 木构古建筑结构加固措施
• 7.6 本章小结
• 8 结论
• 8.1 本文主要研究工作及结论
• 8.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 大木作制度图样四十三
• 附录2 研究生期间发表的论文
• 附录3 在读期间参与的科研项目