古建筑木构件基于累积损伤模型的剩余寿命评估

论文摘要

中国古代建筑在世界建筑之林中占有杰出的地位,它以木结构为主的建筑体系历史悠久,数量繁多,结构复杂,科学文化内涵极为丰富,抗震性能很好。众多古建筑经受千百年来的地震、大风、物理化学的侵蚀和人为损坏而不倒,这很大程度上归功于其优良的材料特性、结构特点和历年的精心维护。但对这些方面的系统化的研究却不多见。现在,恰当地测评古建筑木结构的安全性、提出合理的修缮方案已成为普遍关注的问题。本文经过对建筑历史及考古资料整理分析,结合国内外研究成果,仿照现存的西安东门城楼结构建立了一古建筑木结构城楼模型,并针对此模型进行了以下研究:(1)采用有限元分析程序对研究对象进行静力分析。在有限元建模中采用的计算模型是将柱与柱础简化为铰接形式,梁与柱的连接简化为变刚性连接,加入弹簧单元,梁与柱构件简化为空间杆单元。考虑到古建筑木结构大屋顶的特殊性及复杂性,将屋面重量折算成集中荷载和集中质量作用于柱顶。(2)木结构古建筑一般都是大屋顶建筑,屋顶集中了整个地面以上结构大部分的重量,所有房屋顶部的重量都由梁枋传到柱子,经过柱子传到地面,故结构中的立柱以承受轴力为主,而横梁则以承受弯矩为主,故通过有限元静力分析得到结构中立柱的轴力和横梁的弯矩,以应用于构件累积损伤评估。(3)基于Gerhards的木材累积损伤模型的理论分析建立了木构件在承受轴力与弯矩恒载下的强度修正模型,分别对木结构中承受这两种荷载的构件进行损伤耐久性评定。在轴力荷载下的强度修正模型中,考虑了腐蚀对木材有效横截面的影响。(4)本文在对研究对象进行数值模拟分析时,主要做了结构在自重作用下的静力分析工作。经过有限元静力分析得到结构中立柱所承受的轴力与横梁所承受的弯矩。通过剩余寿命评估,得到了结构中构件耐久性的影响因素。通过分析可知,目前需要对现存古建筑材质老化情况有充分的了解,并科学地估计今后若干年材料的老化程度,即对老化规律的认识。这是对古代建筑进行现状分析和预测未来一定时间内结构可靠性的基础工作。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究课题的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外情况
• 1.2.2 国内情况
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 古建筑木结构的力学分析与耐久性评定
• 2.1 古建筑木结构的体系特点
• 2.1.1 古建筑木构架中的榫卯连接
• 2.1.2 古建筑木构架中的梁与柱
• 2.1.3 古建筑木构架中的斗拱
• 2.1.4 古建筑木构架中柱与基础的连接
• 2.1.5 古建筑木结构的大屋顶
• 2.2 古建筑常见的几种残坏状况
• 2.2.1 抗压构件的变形
• 2.2.2 抗拉构件的变形
• 2.2.3 受剪力构件的变形
• 2.3 影响古建筑木结构耐久性的因素
• 2.3.1 古建筑木结构基于生物昆虫的破坏
• 2.3.2 古建筑木结构的植物性破坏
• 2.3.3 古建筑木结构基于火灾的破坏
• 2.4 本章小结
• 第三章 城楼模型的有限元分析
• 3.1 古建筑木结构的材料特性
• 3.1.1 木材顺纹的受压、受拉、受剪、和静力弯曲强度
• 3.1.2 木材顺纹受剪性质
• 3.2 有限元分析基础
• 3.2.1 有限元法的基本思想
• 3.2.2 有限元法的基本计算步骤
• 3.3 有限元模型建立
• 3.3.1 模型来源
• 3.3.2 材料属性
• 3.3.3 单元选择
• 3.4 有限元静力分析
• 3.4.1 ANSYS静力分析的设置
• 3.4.2 计算结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 城楼模型中部分构件的剩余寿命评估
• 4.1 古建筑木构件剩余使用寿命评估
• 4.1.1 构件剩余寿命预测的意义
• 4.1.2 构件剩余寿命的评估方法
• 4.2 累积损伤模型原理
• 4.3 累积损伤公式的试验研究
• 4.4 城楼模型中部分构件的耐久性损伤评定
• 4.4.1 轴力作用下立柱的剩余寿命评估
• 4.4.2 弯矩作用下横梁的剩余寿命评估
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要研究成果和结论
• 5.2 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间发表和完成的论文