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古建筑双跨木结构抗震性能研究

作　者: 李小伟
导　师: 赵均海
学　校: 长安大学
专　业: 结构工程
关键词: 古建筑木结构榫卯滞回模型半刚性节点虚拟侧向荷载法
分类号: TU352.11
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

古建筑是历史上科学文化、政治经济、艺术特征的实物载体,代表着一定历史时期的物质与精神文明。抢救国家和人类重要文物艺术的责任感和使命感,激发了广大建筑、艺术、考古、结构等领域学者研究古建筑的热情。近20年来,在结构领域,古建筑木构架的抗震机理以及力学性能研究已经引起了很多学者重视,并作了一系列有益的开拓工作,这些工作非常难能可贵。虽然如此,还有许多研究领域有待于研究：例如,古建筑历史价值较大的宫式建筑基本上都是多跨的,目前,对于多跨木结构抗震性能研究还较少；倒梯形燕尾榫卯的连接性能研究刚刚开始,近代木结构常用的上下等宽燕尾榫卯的半刚性连接力学模型还没有完全建立；用于木结构力学分析的方法还有待于改进。针对以上几个问题,根据历史文献记载,确定了宋代分心斗殿堂的结构原型,宋代分心斗殿堂是一种双跨古建筑木结构,常常用于建筑群的正门。这种结构是多跨木结构的一种,它的构造相对简单,通过这种结构力学特征和工作性能的研究,可以为多跨木结构的后继研究工作奠定基础。以宋代分心斗八架椽殿堂木构架为原型,制作了3榀1：4木构架缩尺模型,模型的榫卯,按照马炳坚先生的《中国古建筑木作营造技术》中记载的上面大、下面小、外面窄、里面宽的倒梯形燕尾榫卯制作方法制作。根据古建筑木构架与柱础、柱顶的连接条件,对试件的边界条件和加载方式进行了合理假定,对所制作的3榀木构架试件进行了拟静力实验。分析了双跨木构架的滞回曲线、骨架曲线,骨架曲线的强度、刚度退化特征,分析了双跨木构架的耗能能力,确定了双跨木构架的骨架曲线模型,根据多线型枢纽点Pivot模型,提出了适合于木结构的修正双线型枢纽点滞回模型和修正多线型枢纽点滞回模型。木结构的节点连接是弱节点榫卯连接,对于木结构,实验时作动器力的示值与P-△效应产生的二阶水平力处于一个量级,当位移较大时,忽略P-△效应,将会使分析结果误差较大。提出了基于等效框架的虚拟荷载法和基于等效框架的D值法,这些分析方法主要适用于分析半刚性连接框架,可以考虑结构非线性和整体二阶效应,用这些分析方法所得的结果与实验结果吻合较好。对木构架半刚性节点的弯矩一转角关系进行了深入研究,确定了节点连接弯矩与节点连接刚度、柔度的计算公式；节点连接相对转角与位移关系的计算公式,位移与节点连接刚度、柔度的计算公式。确定了节点弯矩—连接相对转角的双线型模型和幂函数模型。通过计算机模拟验证了节点连接弯矩—连接转角幂函数模型用于计算机分析的适用性。测试了双跨木构架的模态参数,根据幅频峰值法和实频、虚频峰值法,计算了双跨木构架的一阶模态频率和一阶模态阻尼比,对计算结果进行了深入分析。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-24
  1.1 中国古建筑木结构研究历史与现状  13-20
    1.1.1 中国历史上的建筑著作  13-15
    1.1.2 近代古建筑木结构的研究现状  15-20
  1.2 研究内容  20-24
第二章中国古建筑木结构体系  24-32
  2.1 中国古建筑木结构的发展  24-26
  2.2 木构架的特点  26-29
    2.2.1 木构架的建筑特点  26-27
    2.2.2 我国古建筑木结构的结构特点  27-29
  2.3 中国古建筑木结构的保护原则  29-31
    2.3.1 保存原来的建筑形制  30
    2.3.2 保持原来的建筑结构法式  30
    2.3.3 保存原来的建筑材料和质感  30-31
    2.3.4 保存原来的工艺技术  31
  2.4 小结  31-32
第三章双跨木结构抗震性能实验研究  32-80
  3.1 试件模型  32-40
    3.1.1 试件模型的选取  33-36
    3.1.2 试件的设计与制作  36-40
  3.2 实验装置设计  40-42
    3.2.1 木构架模型承担的竖向集中力  40-41
    3.2.2 柱顶边界条件  41
    3.2.3 柱脚边界条件  41-42
    3.2.4 侧向支撑装置  42
    3.2.5 水平加载设备  42
  3.3 实验测量内容和测点布置  42-47
  3.4 加载制度与加载方法  47
  3.5.数据采集  47
  3.6 材料性能实验  47-51
    3.6.1 含水率测定实验  48
    3.6.2 抗拉强度实验  48-49
    3.6.3 抗压强度实验  49
    3.6.4 顺纹抗剪强度实验  49-50
    3.6.5 抗压弹性模量实验  50
    3.6.6 抗弯弹性模量实验  50-51
    3.6.7 抗弯强度实验  51
    3.6.8 泊松比实验  51
  3.7 实验过程及结构失效形式  51-54
    3.7.1 木结构框架实验过程  51-54
    3.7.2 木结构框架失效形式  54
  3.8 实验结果分析  54-79
    3.8.1 P—Δ滞回曲线  56-61
    3.8.2 P—Δ骨架曲线  61-63
    3.8.3 延性及屈服与破坏荷载的确定  63-67
    3.8.4 强度退化  67-69
    3.8.5 刚度退化  69-72
    3.8.6 耗能能力  72-74
    3.8.7 P-Δ恢复力模型  74-79
  3.9 小结  79-80
第四章双跨木结构半刚性节点性能研究  80-122
  4.1 杂交梁单元  80-83
    4.1.1 连接的特性  80-81
    4.1.2 杂交梁单元的构造  81-82
    4.1.3 杂交梁的连接柔性方程  82-83
  4.2 基于割线刚度的等效框架  83-87
    4.2.1 割线刚度  83
    4.2.2 考虑整体几何非线性的虚拟侧向荷载法  83-84
    4.2.3 等效框架  84-87
  4.3 柔性连接框架的虚拟侧向荷载法  87-90
  4.4 基于等效框架的虚拟侧向荷载法计算流程  90-95
    4.4.1 虚拟侧向荷载法求整体抗侧刚度  90-92
    4.4.2 求解弹簧相对转角流程  92-94
    4.4.3 木构架考虑失稳影响的次要因素  94-95
  4.5 位移—节点连接相对转角关系  95-97
  4.6 弯矩—节点连接相对转角骨架曲线  97-98
  4.7 弯矩—节点连接相对转角骨架曲线简化模型  98-101
  4.8 位移—节点连接刚度  101-103
  4.9 位移—节点连接柔度  103-106
  4.10 弯矩—节点连接刚度  106-109
  4.11 弯矩—节点连接柔度  109-111
  4.12 节点连接弯矩—榫尾曲率关系  111-112
  4.13 考虑杆系失稳效应的虚拟侧向荷载法  112-116
  4.14 基于等效框架的修正D值法  116-118
  4.15 弯矩—节点连接相对转角骨架曲线幂函数模型  118-120
  4.16 原型结构半刚性节点计算公式  120
  4.17 小结  120-122
第五章双跨木结构模态参数测试  122-134
  5.1 模态参数测试原理  122-124
    5.1.1 幅频峰值法  122-124
    5.1.2 实频、虚频峰值法  124
  5.2 木构架模态参数测试  124-127
    5.2.1 测试设备布置  125-126
    5.2.2 加载方式  126-127
  5.3 木构架模态参数测试结果  127-132
    5.3.1 木构架1模态参数测试结果  127
    5.3.2 木构架2模态参数测试结果  127-130
    5.3.3 木构架3模态参数测试结果  130-132
  5.4 模态参数测试结果分析  132-133
  5.5 小结  133-134
第六章双跨木结构虚拟仿真  134-141
  6.1 SAP2000的连接单元  134
  6.2 木构架建模  134-138
  6.3 拟静力加载实施  138
  6.4 计算机模拟  138-140
    6.4.1 侧向荷载—侧向位移骨架曲线  138
    6.4.2 侧向荷载—侧向位移滞回曲线  138-140
    6.4.3 节点弯矩—连接相对转角骨架曲线  140
  6.5 小结  140-141
结论与建议  141-145
参考文献  145-151
攻读博士期间发表的论文  151-153
致谢  153

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