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地震作用下木结构古建筑的动力分析

作　者: 张锡成
导　师: 赵鸿铁
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 结构工程
关键词: 木结构古建筑概念设计计算模型动力时程分析倒塌性能
分类号: TU366.2
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

木结构古建筑在地震作用下的动力分析是其加固修缮的关键依据，也是古建筑结构保护亟需解决的难点问题。本文在定性分析木结构古建筑基本结构特性及抗震概念设计思想的基础上，对按照《营造法式》制作的一个单层单开间殿堂结构当心间模型进行了单向地震激励下的振动台试验，定量研究了殿堂结构在地震作用下的动力特性及地震反应特点；基于构件的恢复力特征建立了殿堂结构的空间有限元杆系模型，并进行了有限元动力时程分析；同时提出了综合考虑柱础滑移隔震、半刚性榫卯节点的特性及斗栱层耗能减震性能等木结构古建筑基本结构特点的简化计算模型；在动力非线性时程分析的基础上采用IDA方法对其抗倒塌性能进行了研究。本文完成的主要研究工作有：（1）从木结构古建筑的结构选型、结构体系布置、结构特殊构件和结构措施的使用等方面入手，探讨了其抗震概念设计思想，研究表明：木结构古建筑平面形状简单、规则，柱网布置对称，平面及竖向刚度均匀，严格限制房屋长宽比及高宽比，结构体型的选取符合当前抗震概念设计原则；柱平置浮搁于础石之上、构件之间采用榫卯连接、斗栱及大质量屋盖的采用使得木结构古建筑成为多重隔震减震的结构系统；“材份制”及“斗口制”等古典模数设计方法不仅确保了结构的安全性，而且同时考虑了木材蠕变与松弛对结构性能的不利影响；“侧脚”、“生起”等特殊构造做法及柱间斜撑和雀替的使用提高了结构的抗震性能，“抬梁式”屋架是一种“替力梁架”。（2）对缩尺比为1:3.52的单开间殿堂式木结构模型进行了振动台试验，研究了在不同地震激励作用下柱脚、柱架顶面及屋盖的相对位移及加速度反应特点，分析了结构的动力特性、破坏模式、动力抗侧刚度的变化趋势及各层次的滞回耗能特点，得到了以下结论：随着结构损伤的不断累积，模型的自振周期及阻尼比随地震动强度的增加而逐渐增大，其波动范围分别为T=0.49~0.67s，ζ=2.9%~4.6%；柱脚滑移及榫卯变形具有隔震减震作用，而铺作层的隔震作用主要取决于地震波频谱特性及结构自振频率之间的相对比例关系；当名义PGA分别为300gal、400gal、600gal、900gal时，柱架的最大侧移角分别为1/70、1/50、1/35、1/21，柱架具有比现代结构更强的变形能力；随着地震强度的增大，结构整体刚度呈现出逐渐下降的趋势，其波动范围为0.346~0.028kN/mm；由榫卯节点连接的柱架侧移变形引起的能量耗散最大，柱脚滑移及铺作层变形的能耗较小且较为接近。（3）建立了基于木结构古建筑结构特征及构件恢复力特性的空间杆系有限元模型，提出用正比于单元初始刚度的单元阻尼矩阵[c]_e=2ζ[k]_e/ω代替经典的Rayleigh阻尼以模拟古建筑中榫卯及斗栱的阻尼性能，进行了动力非线性时程分析，并与试验结果进行了对比，验证了计算模型的可靠性。在此基础上，对殿堂式木结构古建筑结构动力性能进行了参数分析，结果表明：柱脚刚接或者铰接后结构的整体加速度放大系数明显大于原始结构，在一定程度上削弱了木结构古建筑的抗震能力；斗栱的设置可明显延长结构的自振周期且具有减震作用，斗栱刚度越大，其耗能减震作用越弱；结构阻尼比的增加可有效降低木结构古建筑的地震反应；屋盖质量的增加会延长结构自振周期并增大结构相对位移反应，且有助于提高斗栱的耗能减震能力。（4）提出了可以同时考虑柱脚滑移、榫卯半刚性连接及铺作层隔震作用的简化动力计算模型，建立了以水平位移（动力自由度）为未知量的集中质量模型并给出了各状态下的动力方程及统一表达式，给出了体系啮合及滑移两种状态之间转变的临界状态判定条件；采用Wilson-θ法对所建立的集中质量模型进行弹塑性时程分析，利用MATLAB软件编制了相应的弹塑性程序，并通过计算值与试验值的对比验证了程序的可行性。（5）提出了柱脚滑移倒塌的相对位移判定准则及柱架层间倒塌的最大层间位移角判定准则，采用IDA分析方法对两种倒塌机制进行了研究，结果表明：普通地震波作用下木结构古建筑不易出现柱脚滑移倒塌破坏现象；长周期地震波作用下层间倒塌为最可能出现的倒塌机制，长周期地震波的危害性比普通地震波更大。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-15
1 绪论  15-43
  1.1 研究背景及研究意义  15-17
  1.2 古建筑木结构力学及抗震性能研究现状  17-29
    1.2.1 柱与础石连接性能的研究  17-18
    1.2.2 榫卯节点半刚性性能研究  18-21
    1.2.3 斗栱力学性能研究  21-23
    1.2.4 整体结构性能研究  23-29
  1.3 当前研究中有待解决的问题  29
  1.4 本文的研究目的及内容  29-30
  参考文献  30-43
2 中国木结构古建筑的抗震概念设计思想  43-69
  2.1 概述  43-44
  2.2 结构选型  44-48
    2.2.1 建筑平面体型  44-45
    2.2.2 建筑竖向体型  45-48
  2.3 多重隔震减震结构体系  48-55
    2.3.1 柱与础石之间的摩擦滑移隔震  49-50
    2.3.2 柱架中半刚性榫卯节点的耗能减震  50-51
    2.3.3 斗栱层的隔震  51-55
    2.3.4 屋架中半刚性榫卯节点的耗能减震  55
  2.4 构件尺寸的选择、特殊构件及结构措施的使用  55-67
    2.4.1 构件尺寸的规定  55-59
    2.4.2 柱架的“侧脚”及“生起”  59-62
    2.4.3 斜撑及雀替的使用  62-66
    2.4.4 替力梁架  66-67
  2.5 本章小结  67-68
  参考文献  68-69
3 殿堂型木结构古建筑模型振动台试验研究  69-97
  3.1 概述  69-70
  3.2 试验模型设计及制作  70-73
    3.2.1 模型尺寸及制作  70-72
    3.2.2 材性试验及结果  72-73
  3.3 试验方案  73-75
    3.3.1 测量内容及仪器布置  73-74
    3.3.2 地震波的选用及加载方案  74-75
  3.4 试验现象及破坏模式  75-79
  3.5 模型动力特性分析  79-81
    3.5.1 模型自振周期  79-80
    3.5.2 模型的阻尼比  80-81
  3.6 模型地震反应及分析  81-95
    3.6.1 模型加速度反应  81-87
    3.6.2 模型位移反应  87-92
    3.6.3 结构的滞回曲线  92-93
    3.6.4 动力抗侧刚度  93-94
    3.6.5 各层次的滞回耗能特性  94-95
  3.7 本章小结  95-96
  参考文献  96-97
4 基于构件恢复力特性的殿堂结构模型动力有限元分析  97-120
  4.1 动力分析模型的建立  97-104
    4.1.1 构件的力学性能及简化分析模型  97-99
    4.1.2 单元的选取  99-101
    4.1.3 基于构件试验的单元实常数的确定  101-103
    4.1.4 有限元模型的建立  103-104
  4.2 模态分析  104-106
    4.2.1 模态计算结果  104-105
    4.2.2 结果及误差分析  105-106
  4.3 水平地震作用下的结构反应分析  106-118
    4.3.1 求解方法及参数设置  106
    4.3.2 结构阻尼的选取  106-107
    4.3.3 加速度反应计算结果及分析  107-113
    4.3.4 相对位移反应计算结果及分析  113-118
  4.4 本章小结  118-119
  参考文献  119-120
5 木结构古建筑动力性能参数分析  120-139
  5.1 引言  120
  5.2 柱脚与础石之间不同的连接方式  120-126
    5.2.1 柱脚刚接  121-124
    5.2.2 柱脚铰接  124-126
  5.3 节点刚度  126-129
  5.4 斗栱的设置与否及抗侧刚度影响  129-134
    5.4.1 斗栱的设置与取消  129-132
    5.4.2 斗栱刚度  132-134
  5.5 结构阻尼比  134-135
  5.6 屋盖质量  135-137
  5.7 本章小结  137-138
  参考文献  138-139
6 殿堂型木结构古建筑的简化力学模型及其弹塑性动力分析  139-174
  6.1 动力分析模型的建立原则  139
  6.2 平面杆系模型及其动力方程  139-150
    6.2.1 模型的建立  139-142
    6.2.2 柱脚啮合时体系动力方程的建立  142-146
    6.2.3 柱脚滑移时体系动力方程的建立  146-148
    6.2.4 动力方程的求解计算方法  148-150
  6.3 简化模型及其动力方程  150-155
    6.3.1 模型的建立  150-151
    6.3.2 各工况下的动力方程  151-153
    6.3.3 动力方程的统一表达式  153-154
    6.3.4 体系啮合及滑移临界状态的判定准则  154-155
  6.4 各构件的恢复力模型  155-160
    6.4.1 柱脚摩擦滑移模型  155
    6.4.2 燕尾榫柱架恢复力模型  155-156
    6.4.3 铺作层恢复力模型  156
    6.4.4 计算机数值计算中对恢复力曲线的处理  156-160
  6.5 动力方程的数值求解  160-163
    6.5.1 结构弹塑性非线性动力方程的处理  160-161
    6.5.2 弹塑性时程分析方法及求解过程  161-163
  6.6 动力弹塑性计算结果及其与试验结果对比分析  163-172
    6.6.1 加速度反应  163-167
    6.6.2 相对位移反应  167-172
  6.7 本章小结  172
  参考文献  172-174
7 水平地震作用下中国木结构古建筑抗倒塌性能研究  174-191
  7.1 概述  174-175
  7.2 木结构古建筑倒塌破坏的判定准则  175-179
    7.2.1 柱脚滑移倒塌机制  176-177
    7.2.2 榫卯节点破坏导致的层倒塌机制  177-179
  7.3 木结构古建筑抗倒塌性能分析  179-188
    7.3.1 分析方法  179-180
    7.3.2 地震波的选用  180-182
    7.3.3 基于 IDA 法的木结构古建筑抗倒塌性能研究  182-188
  7.4 本章小结  188-189
  参考文献  189-191
8 结论与展望  191-195
  8.1 本文的主要工作及结论  191-194
    8.1.1 木结构古建筑的抗震概念设计思想  191
    8.1.2 殿堂式木结构古建筑的振动台试验  191-192
    8.1.3 殿堂式木结构古建筑的有限元建模及参数分析  192-193
    8.1.4 木结构古建筑的简化计算模型  193
    8.1.5 木结构古建筑的抗倒塌性能研究  193-194
  8.2 研究展望  194-195
致谢  195-197
附录  197-198

地震作用下木结构古建筑的动力分析

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