应县木塔梁柱节点增强传递压力效能研究

论文摘要

古建筑木结构的体型一般很大,构件因横纹局压而产生过大的变形甚至严重破坏的现象非常普遍,这是其修缮加固中的关键问题,而且在应县木塔中尤为突出。应县木塔是参考唐代2~3层殿堂结构的建造经验,将殿堂依次叠合而成的高耸木结构,明、暗共9层,高67.31米。相对于一般殿堂结构,高度和自重的成倍增加,使木塔遇到前所未有的两项难题:其一是因自重增加,使承受上层柱轴向荷载的梁(普拍枋和梁栿）横纹局压应力成倍地超过设计强度而产生严重的压缩变形甚至劈裂,导致木塔整体竖向变位。其二是因高度增加,地震荷载作用下的安全可靠成为木塔整体结构的主要问题。由于木塔采用了唐代殿堂内、外分槽的结构形式,用两层柱圈构成筒体,并逐层加设了层高较低称为平坐的刚度加强层,再加上两圈柱子都由下至上向内倾斜对筒体形成环箍力,这些措施帮助木塔抵抗了多次强烈地震而未倒。但是,目前木塔残留的整体倾斜、层间侧移以及由木材横纹压缩引起的竖向压缩变形等都已达到严重影响其安全可靠的程度,所以,木材横纹局压增强加固问题亟待解决,以防突变。本文首先研究了木塔结构构造和残损情况,并结合木材的微观构造,探讨了横纹承压的传力机理和横纹承压强度设计值的确定方法。然后计算了木构件横纹局压的抗力作用效应比。分析发现,木塔底部几层普拍枋和梁栿(柱脚下的横梁)的横纹局压抗力作用效应比最小的仅有0.24,势必产生过大的变形,是引起木塔高度降低的主要原因,也是木塔当前最大的安全隐患。针对木材横纹局压的受力特点和加固目标,本文提出“插筋法”增强古建筑木构件的横纹局压承载力的技术,研究增强机理和加固后的力学性能,探讨制作工艺及在应县木塔中的应用问题。普拍枋的截面高度相对较小,横纹局压高应力区贯穿整个构件截面,采取棒材两端直接承压的技术;梁栿的截面高度较大,增强棒材一端承压,另一端没有直接承压面,靠棒材与木材之间的胶层摩擦传递荷载。普拍枋中增强棒材的受力形式相当于木材侧向弹性约束下的轴压问题,因而,先从理论角度分析了侧向弹性约束下棒材的计算长度系数的计算方法,进而求得其长细比和稳定承载力。然后设计了一系列试验验证了理论分析的正确性。同时还研究了木材边距、间距和端距对棒材稳定承载力的影响,计算求得木材边、端距的最小值。最后,通过钢筋增强木材横纹局压标

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 应县木塔结构特征
• 1.1.2 应县木塔残损现状和残损原因
• 1.1.3 课题的目的和意义
• 1.2 应县木塔修缮加固已有的研究工作
• 1.2.1 古建筑木结构
• 1.2.2 应县木塔实地勘测
• 1.2.3 应县木塔结构性能研究
• 1.3 木构件增强加固研究现状
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 主体结构竖向受力及变位分析
• 2.1 木材横纹承压受力机理
• 2.2 木材横纹承压设计计算
• 2.3 木塔自重作用下木构件横纹承压抗力作用效应比
• 2.4 本章小结
• 第3章 普拍枋横纹承压增强加固
• 3.1 概述
• 3.1.1 技术路线
• 3.1.2 总体试验设计
• 3.1.3 研究目标
• 3.2 增强棒材轴心受压试验研究
• 3.2.1 试验设计及试件
• 3.2.2 试验结果
• 3.2.3 强度判别方法及试验结果分析
• 3.2.4 不同屈服强度棒材的轴压试验
• 3.3 增强棒材轴心受压稳定系数
• 3.3.1 增强棒材轴心受压的计算长度系数
• 3.3.2 木材侧向支承反力常数的测定
• 3.3.3 增强棒材轴心受压稳定系数
• 3.4 边距和端距的试验研究
• 3.4.1 试验设计及试件
• 3.4.2 试验结果
• 3.4.3 边距和端距对承载力的影响
• 3.5 模型试验研究
• 3.5.1 兴安落叶松木构件横纹局压试验
• 3.5.2 普拍枋横纹局压增强模型试验
• 3.5.3 增强构件设计强度指标的判定方法
• 3.5.4 多棒共同工作的强度折减系数K
• 3.6 普拍枋横纹局压增强加固设计计算
• 3.7 GFRP 棒材增强普拍枋横纹局压试验研究
• 3.7.1 GFRP 棒材轴压应力－应变曲线
• 3.7.2 试验设计
• 3.7.3 试验结果
• 3.7.4 承载能力分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 梁栿横纹承压增强加固试验研究
• 4.1 概述
• 4.2 胶缝厚度的影响概述
• 4.3 埋深影响试验研究
• 4.3.1 材料及试件
• 4.3.2 试验方法
• 4.3.3 试验结果
• 4.3.4 棒材临界埋深
• 4.4 梁栿横纹局压增强试验研究
• 4.4.1 试件
• 4.4.2 试验结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 梁栿横纹局压增强加固数值模拟
• 5.1 数值模拟方法与工具
• 5.2 棒材贯穿梁栿内力分析
• 5.2.1 棒材轴力和胶层剪应力的分布规律及其变化趋势
• 5.2.2 试件水平方向上竖向应力及位移的分布规律
• 5.2.3 埋深影响
• 5.3 棒材不贯穿梁栿内力分析
• 5.3.1 试件水平方向上竖向应力和位移的分布规律
• 5.3.2 多棒不贯穿共同工作下的内力分析
• 5.4 木材参与承压时梁栿横纹承压增强的数值模拟研究
• 5.4.1 木材参与承压时的内力分析
• 5.4.2 模型破坏形式
• 5.4.3 木材参与承压时棒材的临界埋深及整体抗力
• 5.4.4 多棒共同工作时棒材埋深的优化
• 5.4.5 多棒共同工作时棒材应力不均匀系数
• 5.5 梁栿横纹局压增强加固的设计计算
• 5.6 本章小结
• 第6章 修缮用木材的防裂措施和制作技术
• 6.1 兴安落叶松气干过程中裂缝的开展程度
• 6.1.1 试件及测定方法
• 6.1.2 试验结果
• 6.2 大尺寸截面构件的获得
• 6.2.1 侧边破心方木钉连接组合构件
• 6.2.2 层板胶合木
• 6.3 落叶松胶合梁结构性能
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明
• 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书
• 哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理
• 致谢
• 个人简历