西安古城墙永宁门箭楼结构及抗震性能研究

论文摘要

中国古建筑作为一独立的结构系统,历史悠久,流布区域辽阔,数千年来始终保持着固有的结构方法及布置规模,形成了一个非常全面的建筑系统。为了研究中国古建筑的固有特性和抗震性能及其简化方法,本文基于ANSYS有限元软件平台,采用Matrix27单元来模拟实体结构的榫卯、斗栱和柱础连接的半刚性弹簧特性,与Combin14单元模拟中国古建筑的半刚性特性本质相同,尤其是斗栱结构可以腄獾母有蜗蠡驼媸祷惶教帜窘峁共牧媳旧淼奶匦浴㈤久节点刚度的变化对结构固有频率的影响,以及探讨楼楞木和屋盖的刚度与质量的变化对主阶频率的影响;通过时程分析,得出中国古建筑在地震激励响应下的一般变化规律,加速度峰值基本都是从柱脚到正脊檩逐渐减小,这说明由于柱础、榫卯连接的摩擦滑移耗能特性,使得从柱脚至正脊檩的地震激励响应逐渐削弱,从而减小地震破坏程度,表明木结构古建筑具有较好的减震耗能性能。本文以西安古城墙永宁门箭楼为研究对象,采用Matrix27单元来模拟实体结构的榫卯、斗栱和柱础连接的半刚性弹簧特性，建立箭楼大木作构架的局部和整体两种仿真有限元模型,通过比较两种模型的基本参数,静力分析结果,频率和振型,地震激励响应结果的相对误差,探讨采用局部模型代替整体模型进行其结构抗震性能分析的可行性,得出可用局部模型代替整体模型进行简化分析,以大大的提高速度和节约资源;并建立箭楼的简化模型,考虑质量和刚度的因素,快速求得中国古建筑的基本频率;同时建立永宁门箭楼与城墙整体的模型,以说明柱脚节点刚接会大大提高整体结构的固有特性。文中最后得出中国砖木结构古建筑的厚重墙体大大提高了结构的抗侧刚度,提高了结构的固有频率,有墙体参与作用的节点的位移与加速度峰值都相对较小。文中提供的方法和结论,可为中国古建筑的研究、维护和复建工程提供一定的借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究的内容和方法
• 2 西安城永宁门箭楼结构特征
• 2.1 中国古建筑简介
• 2.2 西安城古城墙
• 2.2.1 长乐门
• 2.2.2 永宁门
• 2.2.3 安定门
• 2.2.4 安远门
• 2.3 西安城永宁门箭楼复建设计
• 2.3.1 复建设计背景
• 2.3.2 永宁门箭楼复建设计依据
• 2.3.3 永宁门箭楼结构特征
• 3 中国古建筑木结构有限元分析理论
• 3.1 有限元法分析理论
• 3.1.1 引言
• 3.1.2 有限单元法分析的主要步骤
• 3.2 单元选择
• 3.2.1 结构分类
• 3.2.2 单元类型选择的原则
• 3.2.3 建模模型深度
• 3.2.4 本文建模单元选取
• 3.2.5 单元坐标系方向
• 3.3 材料特性
• 3.3.1 木材的弹性模量
• 3.3.2 验证材料弹性常数的正确性
• 3.4 建模基本知识
• 3.4.1 柱梁枋Beam44 单元
• 3.4.2 屋面 Shell63 单元
• 3.4.3 榫卯、柱础Matrix27 单元
• 3.4.4 斗栱节点Matrix27 单元
• 3.5 模态分析
• 3.5.1 材料特性对整体结构频率的影响
• 3.5.2 榫卯节点刚度对整体结构频率的影响
• 3.5.3 楼楞木对整体结构频率的影响
• 3.5.4 屋盖对整体结构频率的影响
• 3.6 时程分析
• 3.7 本章小结
• 4 西安古城墙永宁门箭楼结构分析
• 4.1 永宁门箭楼木结构有限元模型
• 4.1.1 永宁门箭楼木结构有限元模型的建立背景
• 4.1.2 永宁门箭楼木结构有限元模型
• 4.2 永宁门箭楼手算简化计算
• 4.2.1 竖向恒荷载作用下的内力分析
• 4.3 永宁门箭楼有限元分析
• 4.3.1 静力分析
• 4.3.2 模态分析
• 4.3.3 地震反应分析
• 4.3.4 永宁门箭楼与城墙整体的分析
• 4.4 探讨厚重墙体对永宁门箭楼结构的影响
• 4.4.1 有限元模型
• 4.4.2 模态分析
• 4.4.3 地震反应分析
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 本文结论
• 5.2 本文展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士研究生期间发表的论文