应县木塔柱架节点受力性能研究

论文摘要

应县木塔全名佛宫寺释迦塔,坐落在山西省应县城西北角的佛宫寺内,始建于公元1056年,是我国现存最古老最高的木结构楼阁式建筑。在经历千年之后,木塔仍然屹立不倒,向世人展示着我国古代建筑的高超技艺。但由于自然灾害作用以及人为破坏,木塔受损严重,亟待修复。节点连接是木结构的关键问题之一。应县木塔柱架节点只有两类,一类为梁柱节点,即柱上端与阑额、普拍枋的连接节点;另一类为柱脚节点,即柱下端与斗拱的连接节点,也叫“叉柱造”。柱架节点的构造又随柱的位置（平柱与角柱）有所变化。本文选取应县木塔的柱架节点为研究对象,以木塔二层明层角柱梁柱节点以及柱脚节点为原型,制作了4个1:3.4缩尺节点模型,分别进行了水平低周循环加载试验。通过试验获得了节点的破坏模式、滞回曲线以及骨架曲线。对缩尺模型所用的木材进行了系统的材性试验,测定了该木材的弹性常数、强度、摩擦系数等参数。这些结果不仅为有限元分析提供了充足的参数,而且可以为类似的试验提供参考。基于ABAQUS建立了试验模型的精细化有限元模型,对试验过程进行了数值模拟,模拟结果与试验吻合良好,从而验证了有限元模型及计算方法的正确性。进而建立了应县木塔梁柱节点与柱脚节点原型的精细化有限元模型,通过数值模拟分析了各个柱架节点的抗弯承载性能以及抗震性能,拟合得到了柱架节点的弯矩-转角关系式,并且给出了各节点的恢复力模型,为应县木塔结构的整体精细化建模分析提供了依据。本文还对木塔柱架节点的失效模式进行了归纳,并且提出了加固设想。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 应县木塔
• 1.2.2 柱架节点
• 1.3 本文研究内容及其意义
• 第2章 红松材性试验
• 2.1 概述
• 2.2 木材的力学特性
• 2.3 红松材性试验
• 2.3.1 试验简介
• 2.3.2 物理指标
• 2.3.3 强度
• 2.3.4 摩擦系数
• 2.3.5 弹性常数
• 2.4 材性含水率调整
• 2.5 小结
• 第3章 木塔柱架典型节点模型试验研究
• 3.1 概述
• 3.2 木塔柱架节点试验模型
• 3.3 试验方案
• 3.3.1 加载装置
• 3.3.2 测量方案
• 3.3.3 加载制度
• 3.4 试验成果
• 3.4.1 试验现象
• 3.4.2 滞回曲线
• 3.4.3 受力性能指标
• 3.5 小结
• 第4章 木塔柱架典型节点模型受力性能有限元分析
• 4.1 概述
• 4.2 柱架节点精细化有限元模型
• 4.2.1 几何模型
• 4.2.2 本构模型
• 4.2.3 模型分析设置
• 4.3 柱架节点模型水平单调加载
• 4.3.1 梁柱节点
• 4.3.2 柱脚节点
• 4.4 柱脚节点模型水平低周循环加载
• 4.5 小结
• 第5章 木塔柱架节点原型受力性能有限元分析
• 5.1 概述
• 5.2 木塔柱架节点原型精细化有限元模型
• 5.2.1 几何模型
• 5.2.2 本构模型
• 5.2.3 模型分析设置
• 5.3 木塔柱架节点抗弯性能分析
• 5.3.1 节点抗弯性能
• 5.3.2 节点弯矩-转角关系式
• 5.4 木塔柱架节点抗震性能分析
• 5.4.1 节点抗震性能
• 5.4.2 恢复力模型
• 5.5 木塔柱架节点失效模式分类及加固设想
• 5.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢