中国古建筑木结构构架力学性能与抗震研究

论文摘要

中国古代木结构建筑是中国五千年文化发展的缩影,是中国传统文化的重要组成部分,蕴含着丰富的历史价值、艺术价值、和科学价值。但由于古建筑特殊的建筑材料及其特殊的建构方式,在对古建筑进行科学研究的过程中,存在许多难度,并有一些条件的限制,使得古建筑科学研究方面的资料相对其历史性和艺术性方面的较少。本文经过对建筑历史及考古资料整理分析,根据历史文献记载,以宋代八架椽六铺作分心斗底槽殿堂为原型,通过相似原理和结构实际受力情况确定试验模型,即三榀1：4木构架缩尺模型。木构架模型榫卯节点,采用马炳坚先生所著《中国古建筑木作营造技术》中记载的倒梯形燕尾榫卯制作方法。根据古建筑木构架与柱础、柱顶的连接条件,对试件的边界条件和加载方式进行了合理假定,对此三榀木构架模型进行了结构抗震性能的拟静力试验研究。分析了木构架在低周反复荷载作用下的力学性能和破坏机理。从而得出木构架P-Δ滞回曲线、骨架曲线,并对其强度退化、刚度退化、耗能能力、延性等进行了深入分析,从而建立结构恢复力模型,探讨了结构的破坏机制。根据Park法,将木结构的骨架曲线简化为三线型（带退化段）骨架曲线。根据简化的木结构骨架曲线确定了木构架的屈服荷载、峰值荷载、极限荷载和延性指标。最后本文采用大型有限元分析软件ANSYS 10.0对本次试验所采用的双跨木构架模型进行了受力分析。榫卯节点通过加入接触单元来模拟木结构构架的半刚性特性,得出了构架的整体变形图、以及X、Y、Z三向应力下的应力云图。通过荷载—位移骨架曲线模拟结果与实验结果的对比,以及对骨架曲线关键点荷载与位移的分析,得出ANSYS模拟与试验结果吻合良好,计算精度较高。通过对宋代木构架的拟静力试验研究及有限元分析,得到的试验与理论数据结果具有理论意义和工程实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 中国古建筑木结构的发展历程及其抗震研究的意义
• 1.1.2 中国古建筑木结构的基本特点
• 1.2 国内外木结构研究现状
• 1.2.1 国内木结构研究现状
• 1.2.2 国外木结构研究现状
• 1.3 研究意义
• 1.3.1 木结构研究的文化历史意义
• 1.3.2 木结构性能的研究意义
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 殿堂式木构架结构特点及力学分析
• 2.1 殿堂结构平面、立面、剖面布置
• 2.1.1 殿堂结构平面布置
• 2.1.2 结构立面布置
• 2.1.3 结构剖面布置
• 2.2 柱与基础的联结
• 2.3 木构架榫卯半刚性连接力学分析
• 2.3.1 榫卯传力方式
• 2.3.2 杂交梁单元
• 2.3.3 基于割线刚度的等效木构架
• 2.3.4 基于等效木构架的虚拟侧向荷载法
• 2.4 小结
• 第三章 古建木构架模型拟静力试验研究
• 3.1 木材特性
• 3.1.1 木材的物理性质
• 3.1.2 木材的力学性能
• 3.2 木材材性试验
• 3.2.1 含水率测定
• 3.2.2 抗拉强度测定
• 3.2.3 抗压强度测定
• 3.2.4 抗剪强度测定
• 3.2.5 抗压弹性模量测定
• 3.2.6 抗弯弹性模量测定
• 3.2.7 抗弯强度测定
• 3.2.8 泊松比测定
• 3.3 拟静力试验方法简介
• 3.4 试验目的
• 3.5 试验概况
• 3.5.1 试件的设计与制作
• 3.5.2 试验设备与装置
• 3.5.3 测点布置
• 3.6 试验内容
• 3.6.1 试验加载制度
• 3.6.2 试验过程及结果
• 3.7 试验结果及分析
• 3.7.1 构架滞回性能分析
• 3.7.2 构架骨架曲线及其特征
• 3.7.3 构架延性及耗能
• 3.7.4 构架强度和刚度退化
• 3.7.5 构架P-Δ恢复力模型
• 3.7.6 侧角的减振
• 3.8 原型结构分析
• 3.9 小结
• 第四章 古建筑半刚性木构架的有限元分析
• 4.1 有限单元法及有限元程序ANSYS概述
• 4.1.1 有限单元法概述
• 4.1.2 有限元程序ANSYS概述
• 4.2 接触问题与非线性分析
• 4.3 有限元模型的建立
• 4.3.1 单元选择
• 4.3.2 模拟节点半刚性接触对的建立
• 4.3.3 材料属性
• 4.3.4 模型几何尺寸
• 4.4 拟静力加载木构架有限元分析
• 4.4.1 网格划分
• 4.4.2 边界条件及荷载施加
• 4.4.3 结果分析
• 4.5 原型结构分析
• 4.6 本章小结
• 结论与展望
• 1.结论
• 2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 获奖情况
• 致谢