古建木结构建筑榫卯及构架力学性能与抗震研究

论文摘要

中国建筑中的梁、柱、斗棋和屋顶结构是通过榫卯结合在一起的。榫卯联结方式是中国古代的一项伟大建筑技术创造,是确保木结构建筑具有良好的抗震性能的关键措施之一。本文基于木材的材料性质剖析了榫卯构造机理,证实了榫卯几何构造的合理性。通过对榫卯节点进行有限元静力分析,掌握榫卯节点实际受力状态及破坏形态,在此基础上建立了榫卯节点的力学计算模型,确定了榫卯节点的弹性恢复力模型。推导了半刚性节点连接单元的刚度矩阵及一致几何刚度矩阵,在此基础上得到了木构架模型的整体刚度矩阵。基于榫卯节点的实际力学特性确定平面木构架的侧移刚度及阻尼力模型,进行了平面木构架的动力时程分析,揭示榫卯结构的动力特性和耗能减震机理。构架减震性能的理论分析与实测结果较好符合。

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 榫卯的概念及其发展历史
• 1.2 基于榫卯的木结构在地震下的结构性能及研究现状
• 1.3 本文研究内容
• 第2章 榫卯节点构造机理和计算模型
• 2.1 榫卯的材料-木材的力学性质
• 2.1.1 木材顺纹的受压、受拉、受剪、和静力弯曲强度
• 2.1.2 木材顺纹受剪性质
• 2.2 榫头的构造机理剖析
• 2.3 燕尾榫的有限元静力分析
• 2.3.1 有限元法的基本思想
• 2.3.2 有限元法的基本计算步骤
• 2.3.3 本章非线性行为的原因
• 2.3.4 分析过程
• 2.3.5 榫卯破坏形态
• 2.4 古建木构架模型在水平反复荷载作用下的拟静力试验
• 2.4.1 模型制作
• 2.4.2 测点布置
• 2.4.3 加荷方案
• 2.4.4 试验结果
• 2.5 榫卯节点静力计算模型及转动刚度曲线
• 2.5.1 建立模型的基本假定及节点模型
• 2.5.2 榫卯节点转动弹性恢复力计算模型
• 2.6 本章小结
• 第3章 半刚性单元的刚度特性
• 3.1 半刚性框架结构分析的一般方程
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 虚功原理
• 3.1.3 半刚性刚度矩阵的推导
• 3.1.4 半刚性连接的梁单元固端弯矩的推导过程
• 3.1.5 半刚性单元矩阵分类
• 3.2 半刚性单元一致几何刚度矩阵
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 Hermite插值函数
• 3.2.3 刚性单元一致几何矩阵的推导
• 3.2.4 两端均为半刚性单元的一致几何矩阵
• 3.2.5 一端半刚性连接一端铰接单元的一致几何刚度矩阵
• 3.3 本章小结
• 第4章 木构架动力特性时程分析
• 4.1 引言
• 4.2 木构架结构的振动分析模型
• 4.3 木构架侧移刚度的推导
• 4.3.1 木构架的整体刚度矩阵
• 4.3.2 弹性力侧移刚度
• 4.4 阻尼系数的确定
• 4.5 地震波的选取与调整
• 4.6 采用wilson-θ数值积分法进行动力分析
• 4.7 理论计算结果分析
• 4.7.1 配重对榫卯构架减震性能的影响
• 4.7.2 地震强度对榫卯连接木构架减震性能的影响
• 4.8 试验结果对比
• 4.8.1 振动台试验
• 4.8.2 试验结果与理论分析结果对比
• 4.9 本章小结
• 第5章 结束语
• 5.1 本文主要研究工作及结论
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献