应县木塔斗栱力学性能及简化分析模型的研究

论文摘要

应县木塔位于山西省应县佛宫寺内,为全国第一批重点文物保护单位。木塔建于辽清宁二年(公元1056年),总高度为67.13米,是世界现存的唯一一座木结构楼阁式宝塔。它以挺拔的身躯、端庄的造型和悠久的历史被国内外学术界称之为建筑瑰宝。由于近千年的环境侵蚀和强外力作用,应县木塔的材质老化、构件损伤严重、塔体产生了明显的侧移和扭曲变形。根据我国《古建筑木结构维护与加固技术规范》中有关结构鉴定和加固的强制性条文[2],应县木塔被评定为Ⅳ类建筑,亟待修缮[3]。国家《“十一五”时期文化发展规划纲要》已将应县木塔列为文物保护维修重点工程。应县木塔采用的440组斗栱，是木塔结构的重要组成部分和主要受力构件?远窎淼?力学性能进行系统的研究,构建合理的斗栱简化分析腜停墙心舅褰峁沽ρХ治?的基本前提,对研制木塔维修加固方案具有重要的意义。本文以应县木塔中的代表性斗栱（柱头铺作斗栱、补间铺作斗栱、转角铺作斗栱）为对象,采用实体模型试验和有限元数值模拟相结合的方法,确定斗栱传递荷载的机理和抵抗变形的特性,提出了适用于木塔整体结构力学分析的斗栱简化分析腜汀B畚闹饕瓿?了以下研究工作:1.对铺作实体模型进行竖向荷载试验和水平低周反复荷载试验研究,找出了斗栱的主要破坏特征,总结出斗栱传递荷载的机理，归纳了影响斗栱竖向抗压刚度的主要因素，分析了斗栱的抗侧向变形和滞回耗能特性。2.根据铺作斗栱传递竖向荷载的机理，制作出斗栱简化腜停⒔辛思蚧P陀肫?作实体模型的对比试验;通过对简化模型力学性能的提炼,为研制斗栱简化分析腜吞峁?了力学参数。3.针对斗栱在竖向荷载和水平荷载共同作用下的变形特性，开展了斗栱简化分析腜?的有限元建模研究,提出了可表达斗栱抗压、抗侧移和摩擦耗能等主要力学性能的简化分析模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 应县木塔的概况
• 1.1.1 应县木塔修建历史
• 1.1.2 应县木塔建筑特征
• 1.1.3 应县木塔结构特征
• 1.1.4 应县木塔结构的损伤状况
• 1.2 应县木塔及斗栱的研究现状
• 1.2.1 应县木塔的研究现状
• 1.2.2 斗栱的研究现状
• 1.3 本课题的研究意义及主要研究内容
• 1.3.1 课题研究的目的和意义
• 1.3.2 本文的主要研究内容
• 1.4 本文的主要特色和创新之处
• 第二章 应县木塔斗栱的特征
• 2.1 斗栱的起源与发展
• 2.2 应县木塔斗栱的结构
• 2.2.1 应县木塔斗栱的平面布置
• 2.2.2 应县木塔斗栱的做法
• 2.3 应县木塔中斗栱的残损现状
• 第三章 应县木塔斗栱的模型试验研究
• 3.1 斗栱模型试验主要内容及试件的制作
• 3.1.1 斗栱模型试验研究的主要内容
• 3.1.2 试件设计及制作
• 3.2 模型竖向荷载试验
• 3.2.1 加载制度
• 3.2.2 加载设备和测量方法
• 3.2.3 试验现象及结果分析
• 3.3 模型水平低周反复荷载试验
• 3.3.1 加载制度
• 3.3.2 加载设备和测量方法
• 3.3.3 试验现象
• 3.3.4 试验结果及分析
• 3.4 模型试验结论
• 第四章 应县木塔斗栱简化模型的试验研究
• 4.1 斗栱简化模型的设计思路
• 4.2 斗栱简化模型的试验研究
• 4.2.1 试件的设计
• 4.2.2 加载制度设计及加载装置
• 4.2.3 模型竖向荷载试验
• 4.2.4 模型水平低周反复荷载试验
• 4.3 简化模型与铺作实体模型的试验结果对比
• 第五章 应县木塔斗栱简化分析模型的研制
• 5.1 斗栱简化分析模型有限元建模
• 5.1.1 单元类型的选择
• 5.1.2 材料特性的定义
• 5.1.3 简化分析模型的分析
• 5.2 ANSYS 分析结果
• 5.2.1 模型竖向荷载作用模拟分析
• 5.2.2 模型水平单调荷载作用模拟分析
• 5.3 斗栱简化分析模型的完善
• 5.3.1 铺作实体模型的模拟分析
• 5.3.2 完善后简化分析模型的分析
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要研究成果与结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文