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古建抬梁式木结构抗震性能及数值模拟方法研究

作　者: 张辰啸
导　师: 戴君武
学　校: 中国地震局工程力学研究所
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 木结构 振动台试验 抗震性能 非结构构件 非线性半刚性节点 楼层反应谱
分类号: TU366.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


我国现存的古建木结构承载着中华五千年的文化历史，价值不可估量。2008年的汶川特大地震和2013年四川芦山7.0级地震中，都存在着古建木结构严重破坏的现象。这说明在保护古建木结构地震安全方面尚有大量问题有待研究，迫切需要对古建木结构的抗震性能和地震反应分析方法进行深入研究。围绕这一需求，本文主要完成了以下四个方面的工作：（1）查阅大量相关文献，较为系统地了解和掌握了古代抬梁式木结构建筑的形式、风格特点、结构布置、受力机理、构造特点。以此为基础，以故宫博物院雨花阁古建木结构为原型，设计制作了缩尺比为1:6的试验模型。对模型所用木材完成了材料力学性能试验，得到了其抗拉强度、抗压强度、弹性模量和泊松比；参考雨花阁建筑实地调查和测量结果，综合考虑柱础、卯榫节点、雀替等结构构件的影响以及门、窗和围护墙等非结构构件的影响，对试验模型进行了合理的简化，完成了雨花阁建筑结构1:6缩尺模型的加工制作。（2）根据雨花阁结构自身特点，采用等效线性化基本假定，选择适当的相似准则，完成了雨花阁结构模型的地震模拟振动台试验。试验结果表明纯木架木结构的卯榫节点具有较强的耗能能力，可以有效的减少结构的动力反应；同时由于木材良好的延性性能，实现了屋面结构各个构件之间良好的协同工作；模型结构在强地震作用下可发生剧烈变形，导致门窗等非结构构件严重破坏。综合上述试验现象和试验数据，获得了模型结构的各种抗震性能指标，包括各层的楼层动力反应和整体结构自振频率与阻尼特性等。本文通过相似律原理，将模型结构的反应转换为原型结构反应。（3）采用有限元软件ANSYS，完成了试验模型的数值建模。根据古建木结构特点和构造措施的相关研究结果，对数值模型进行了适当简化，其中包括：梁、柱构件采用弹性单元，门、窗中只考虑门框构件的影响，整体结构的卯榫节点的刚度均相同，不考虑卯榫节点的拔出效应等。建立了将卯榫节点考虑为非线性扭转弹簧并考虑非结构构件影响的数值分析模型。（4）依据有限元模态分析结果和结构原位测量得到的自振特性确定了非线性半刚性节点的参数。将非线性时程分析结果与试验实测数据进行了对比分析，验证了本文数值分析方法的合理性，为类似结构的数值分析提供了参考依据。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
第一章 绪论  10-18
  1.1 中国古建木结构建筑抗震研究的迫切需要及其自身特点  10-13
  1.2 国内外研究现状  13-16
    1.2.1 国内研究现状  13-15
    1.2.2 国外研究现状  15
    1.2.3 小结  15-16
  1.3 本文研究内容与方法  16-18
第二章 雨花阁建筑结构振动台试验方案及实施  18-36
  2.1 雨花阁建筑结构的模型制作  18-31
    2.1.1 模型的制作方案  18-21
    2.1.2 模型材料材性试验  21-24
    2.1.3 模型的施工工艺  24-28
    2.1.4 确定相似比的基本原则与人工质量的施加  28-31
  2.2 试验方案及实施  31-35
    2.2.1 传感器测点布置  31-33
    2.2.2 振动台试验系统  33-34
    2.2.3 试验加载方案  34-35
  2.3 本章小结  35-36
第三章 试验结果处理与分析  36-60
  3.1 试验的加载制度  36-40
  3.2 试验现象与结构的破坏状态  40-42
  3.3 试验数据处理与分析  42-56
    3.3.1 各层各工况下加速度反应与楼层反应谱  42-48
    3.3.2 各层各工况下位移反应  48-50
    3.3.3 各层各工况下的阻尼比  50-53
    3.3.4 模型结构频率变化关系  53-54
    3.3.5 模型结构的扭转反应  54-56
  3.4 原型结构的动力响应和抗震性能  56-58
  3.5 本章小结  58-60
第四章 有限元分析方法与结果对比  60-78
  4.1 有限元模型的建立  60-67
    4.1.1 有限元模型建立的基本思路与假设  60-62
    4.1.2 有限元模型的基本参数  62-67
  4.2 有限元分析计算过程  67-70
    4.2.1 确定节点转角刚度原理  67-68
    4.2.2 模态分析结果与各工况下的转角刚度值  68-70
    4.2.3 非线性时程分析  70
  4.3 有限元分析结果与试验结果的对比  70-76
    4.3.1 各工况下位移反应对比  70-76
  4.4 本章小结  76-78
第五章 结论与展望  78-82
  5.1 工作总结  78-79
  5.2 展望  79-82
参考文献  82-86
致谢  86-88
作者简介  88

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 建筑结构 > 土、砖、石、竹、木结构 > 竹、木结构 > 木结构
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