中国高台基木结构古建筑动力特性及地震反应研究

论文摘要

中国木结构古建筑是东方古建筑的杰出代表,堪称人类建筑史上的一朵奇葩。本文就其中一种建筑形式即高台基木结构古建筑进行了研究。为了更好的研究该类建筑,以西安鼓楼为例,建立相应的有限元模型并通过数值计算来研究鼓楼的抗震性能。通过对西安鼓楼的有限元分析,得出了这类建筑的动力特性及地震反应规律,并为分析该类建筑提供一种方法,同时也可为该类建筑的保护、维修、加固提供理论依据和技术参考。高台基木结构古建筑与普通木结构古建筑的区别在于其拥有高台基。为了更好理解该类建筑形式,本文简单的对中国木结构古建筑的地基基础进行了阐述;并对高台基木结构古建筑最原始的建筑形式即高台古建筑进行了叙述。在此基础上,通过利用ANSYS有限元分析软件分别建立了鼓楼下部高台基、上部木结构、整体结构的三维有限元模型,其中高台基考虑高台体和台基两部分;柱础与木柱的连接形式采用水平弹簧单元来模拟实现摩擦滑移;考虑榫卯节点半刚性特点;斗栱按阻尼器处理；厚重屋盖采用集中质量方法处理。上述建模时所用的材料物理力学参数和弹簧刚度值均采用试验得出的有关结果。通过模态分析,研究了它们的动力特性规律;对上部木结构和整体结构输入地震波进行时程分析,得出其地震反应特点,这里主要是研究高台基对上部木结构的动力特性及地震反应的影响规律。通过模态分析,得到高台基的频率相对比较密集,相邻的频率相差不大,表现比较稳定;木结构的自振频率变化幅度较大且容易分散,表现不是很稳定;在整体结构自振频率中,其前四阶频率较接近于木结构的频率,后面的频率接近于高台基的频率,高台基主要对结构高阶频率影响较大。高台基的振型主要是以水平振动和扭转振动为主;木结构的振型主要以水平滑移振动和弯曲扭转振动为主;整体结构的前四阶振型主要是以木结构振动为主,后面的振型主要是由木结构随着高台基的振动而一起振动,改变了上部木结构的动力特性。可见,分析高台基木结构古建筑的动力特性时必须考虑高台基的影响。时程分析结果表明,上部木结构的柱顶位移随着地震激励的增大而增大;整体结构的柱顶位移也随着地震激励的增大而增大;整体结构柱顶的侧移相对于木结构柱顶的侧移增大幅度均值在20.478%以上。木结构的动力放大系数随着地震激励的增大反而减小,而且平均动力放大系数均小于0.779;整体结构的动力放大系数也呈递减趋势,平均动力放大系数均小于1.386,整体结构柱顶的动力放大系数相对于木结构柱顶的动力放大系数增大倍数均在0.818以上;高台基对上部木结构柱顶的位移和加速度都有放大效应,影响明显。同时也表明柱顶容易发生破坏,高台基将直接影响到上部木结构的安全,对上部木结构的抗震是不利的。通过上述分析可知,研究高台基木结构古建筑这一类建筑,特别是研究其动力特性和地震反应时,必须考虑高台基的影响,在计算中必须包括高台基部分。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外的研究历史与现况
• 1.3 问题的提出
• 1.4 本文研究目的和内容
• 1.5 本章小结
• 2 中国木结构古建筑地基基础简述
• 2.1 中国木结构古建筑地基基础的基本特征
• 2.2 中国木结构古建筑地基基础的构造做法概述
• 2.2.1 木结构古建筑地基的处理方法
• 2.2.2 木结构古建筑基础做法简述
• 2.3 中国木结构古建筑台基简介
• 2.3.1 台基的基本特点及其构造
• 2.3.2 台基的形式及其砌筑形式
• 2.3.3 台基柱础
• 2.4 本章小结
• 3 中国高台古建筑概况
• 3.1 中国高台古建筑简介
• 3.2 中国高台古建筑分类
• 3.2.1 按组成方式分类
• 3.2.2 按建筑平面形式分类
• 3.3 中国高台古建筑的演变
• 3.3.1 高台基古建筑
• 3.3.2 古塔建筑
• 3.3.3 古城墙建筑
• 3.4 中国高台古建筑的结构特点
• 3.4.1 中国高台古建筑下部台体特点
• 3.4.2 中国高台古建筑上部木结构特点
• 3.5 本章小结
• 4 高台基木结构古建筑有限元模型的建立
• 4.1 西安鼓楼
• 4.1.1 鼓楼基本概况
• 4.1.2 鼓楼建筑特点
• 4.1.3 鼓楼结构特点
• 4.1.4 鼓楼建筑材料参数
• 4.1.5 鼓楼高台基内部夯土材料本构模型
• 4.2 有限元理论和ANSYS 有限元软件简介
• 4.2.1 有限元理论概述
• 4.2.2 通用有限元软件ANSYS 介绍
• 4.3 西安鼓楼有限元模型的实现
• 4.3.1 鼓楼下部高台基有限元模型的建立
• 4.3.2 鼓楼上部木结构有限元模型的建立
• 4.3.3 鼓楼整体结构有限元模型的实现
• 4.4 本章小结
• 5 高台基木结构古建筑的有限元分析
• 5.1 高台基木结构古建筑动力特性分析
• 5.1.1 模态分析理论
• 5.1.2 计算结果
• 5.1.3 结果分析
• 5.2 高台基木结构古建筑地震反应分析
• 5.2.1 动力反应理论简介
• 5.2.2 地震反应计算
• 5.2.3 地震反应结果分析
• 5.3 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 研究结论及方法
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 附录1：攻读硕士学位期间发表及投递的学术论文
• 附录2：攻读硕士学位期间参与的科研项目
• 附录3：攻读硕士学位期间获奖情况