古建筑木结构抗震性能试验与理论研究

论文摘要

古建筑木结构在中国传统文化中占有相当重要的位置。从某种意义上来说,它们代表着中国古代科技的发展水平,集历史性、艺术性和科学性于一身。榫卯连接方式是中国古代的一项伟大建筑技术创造,3500年前,我国就基本形成用榫卯连接梁柱的框架体系,榫卯连接是确保古建筑木结构具有良好的抗震性能的关键措施之一。但由于古建筑木材材料的特殊性以及特殊的建构方式,所以在对古建筑木结构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历史性和艺术性的研究较少。本文分析了国内外古建筑木结构的研究现状,介绍了古建筑木结构的结构整体性作用,分析了木材的力学性质。以《营造法式》中的宋代分心斗八架椽殿堂为研究对象,制作了3榀1：4双跨木构架缩比模型,通过低周反复加载的试验方法,对该模型进行试验研究。分析了双跨木构架的荷载—位移滞回曲线、骨架曲线和木构架的耗能能力；分析了榫卯节点半刚性连接的连接弯矩—转角骨架曲线、刚度退化和节点延性；确定了双跨木构架榫卯连接的骨架曲线模型。对木构架榫卯连接半刚性节点的弯矩—转角关系进行了深入研究,通过杂交梁单元对木构架半刚性连接进行了理论分析,得到了榫卯连接相对转角的计算流程。确定了节点连接位移与节点连接相对柔度的计算公式,以及木构架整体抗侧刚度的计算公式。确定了节点弯矩—连接相对转角的双线型模型。运用ANSYS有限元分析软件的接触算法,综合考虑各种非线性因素,对古建筑双跨木构架模型进行了单调加载和往复荷载作用下的有限元模拟,并与试验数据进行对比,结果表明,ANSYS有限元分析软件得出的结果能够较好地反映结构的滞回性能,结果真实可靠。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 本文的主要研究工作
• 第二章 古建筑木结构抗震分析基本理论
• 2.1 木材材性实验
• 2.1.1 抗拉强度实验
• 2.1.2 抗压强度实验
• 2.1.3 顺纹抗剪强度实验
• 2.1.4 抗压弹性模量实验
• 2.1.5 抗弯弹性模量实验
• 2.1.6 抗弯强度实验
• 2.1.7 泊松比实验
• 2.2 榫卯节点半刚性连接主要研究方法
• 2.3 半刚性连接的M-θ关系曲线模拟
• 2.4 本章小结
• 第三章 宋代木构架模型拟静力实验方案
• 3.1 引言
• 3.2 实验目的
• 3.3 试件的设计和制作
• 3.3.1 相似关系
• 3.3.2 试件尺寸
• 3.3.3 试件制作
• 3.4 加载装置及加载制度
• 3.4.1 加载装置
• 3.4.2 加载制度
• 3.5 量测内容和量测方法
• 3.5.1 测点布置
• 3.5.2 测试内容
• 3.5.3 数据采集
• 3.6 实验过程描述
• 3.7 本章小结
• 第四章 宋代木构架模型拟静力实验结果分析
• 4.1 榫卯节点M-θ骨架曲线
• 4.2 刚度退化
• 4.3 弯矩—转角M-θ恢复力模型
• 4.3.1 骨架曲线模型
• 4.3.2 恢复力模型
• 4.4 节点延性
• 4.5 木构架P-Δ滞回曲线和骨架曲线
• 4.5.1 滞回曲线
• 4.5.2 骨架曲线
• 4.6 木构架耗能能力
• 4.6.1 等效粘滞阻尼系数
• 4.6.2 能量耗散系数
• 4.7 本章小结
• 第五章 榫卯节点半刚性连接模型理论计算
• 5.1 榫卯节点半刚性连接模型的受力分析
• 5.1.1 杂交梁单元
• 5.1.2 木构架受力分析
• 5.1.3 D值法计算木构架
• 5.2 弯矩—节点连接相对转角骨架曲线
• 5.3 位移—节点连接相对柔度
• 5.4 整体抗侧刚度
• 5.5 原型结构半刚性节点计算公式
• 5.6 本章小结
• 第六章 宋代木构架模型有限元分析
• 6.1 有限单元法基本理论
• 6.2 本文单元类型的选择
• 6.2.1 接触单元简介
• 6.2.2 单元类型的选择
• 6.3 有限元建模
• 6.3.1 材料属性
• 6.3.2 建立几何模型
• 6.3.3 加载和边界条件
• 6.4 单调加载
• 6.4.1 单调加载下木材的应力—应变关系
• 6.4.2 施加荷载
• 6.4.3 ANSYS模拟结果
• 6.5 循环加载
• 6.5.1 循环加载下木材的应力—应变关系
• 6.5.2 加载制度
• 6.5.3 模型计算结果与实验结果对比
• 6.6 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢