地震作用下木結(jié)構(gòu)古建筑的動(dòng)力分析.pdf

1、木結(jié)構(gòu)古建筑在地震作用下的動(dòng)力分析是其加固修繕的關(guān)鍵依據(jù),也是古建筑結(jié)構(gòu)保護(hù)亟需解決的難點(diǎn)問(wèn)題。本文在定性分析木結(jié)構(gòu)古建筑基本結(jié)構(gòu)特性及抗震概念設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上,對(duì)按照《營(yíng)造法式》制作的一個(gè)單層單開(kāi)間殿堂結(jié)構(gòu)當(dāng)心間模型進(jìn)行了單向地震激勵(lì)下的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),定量研究了殿堂結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力特性及地震反應(yīng)特點(diǎn);基于構(gòu)件的恢復(fù)力特征建立了殿堂結(jié)構(gòu)的空間有限元桿系模型,并進(jìn)行了有限元?jiǎng)恿r(shí)程分析;同時(shí)提出了綜合考慮柱礎(chǔ)滑移隔震、半剛性榫卯節(jié)點(diǎn)的

2、特性及斗栱層耗能減震性能等木結(jié)構(gòu)古建筑基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型;在動(dòng)力非線性時(shí)程分析的基礎(chǔ)上采用IDA方法對(duì)其抗倒塌性能進(jìn)行了研究。本文完成的主要研究工作有:
　　(1)從木結(jié)構(gòu)古建筑的結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)體系布置、結(jié)構(gòu)特殊構(gòu)件和結(jié)構(gòu)措施的使用等方面入手,探討了其抗震概念設(shè)計(jì)思想,研究表明:木結(jié)構(gòu)古建筑平面形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則,柱網(wǎng)布置對(duì)稱,平面及豎向剛度均勻,嚴(yán)格限制房屋長(zhǎng)寬比及高寬比,結(jié)構(gòu)體型的選取符合當(dāng)前抗震概念設(shè)計(jì)原則;柱平置浮擱于

3、礎(chǔ)石之上、構(gòu)件之間采用榫卯連接、斗栱及大質(zhì)量屋蓋的采用使得木結(jié)構(gòu)古建筑成為多重隔震減震的結(jié)構(gòu)系統(tǒng);“材份制”及“斗口制”等古典模數(shù)設(shè)計(jì)方法不僅確保了結(jié)構(gòu)的安全性,而且同時(shí)考慮了木材蠕變與松弛對(duì)結(jié)構(gòu)性能的不利影響;“側(cè)腳”、“生起”等特殊構(gòu)造做法及柱間斜撐和雀替的使用提高了結(jié)構(gòu)的抗震性能,“抬梁式”屋架是一種“替力梁架”。
　　(2)對(duì)縮尺比為1:3.52的單開(kāi)間殿堂式木結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),研究了在不同地震激勵(lì)作用下柱腳、柱架

4、頂面及屋蓋的相對(duì)位移及加速度反應(yīng)特點(diǎn),分析了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、破壞模式、動(dòng)力抗側(cè)剛度的變化趨勢(shì)及各層次的滯回耗能特點(diǎn),得到了以下結(jié)論:隨著結(jié)構(gòu)損傷的不斷累積,模型的自振周期及阻尼比隨地震動(dòng)強(qiáng)度的增加而逐漸增大,其波動(dòng)范圍分別為T=0.49～0.67s,z=2.9％～4.6%;柱腳滑移及榫卯變形具有隔震減震作用,而鋪?zhàn)鲗拥母粽鹱饔弥饕Q于地震波頻譜特性及結(jié)構(gòu)自振頻率之間的相對(duì)比例關(guān)系;當(dāng)名義PGA分別為300gal、400gal、600g

5、al、900gal時(shí),柱架的最大側(cè)移角分別為1/70、1/50、1/35、1/21,柱架具有比現(xiàn)代結(jié)構(gòu)更強(qiáng)的變形能力;隨著地震強(qiáng)度的增大,結(jié)構(gòu)整體剛度呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì),其波動(dòng)范圍為0.346～0.028kN/mm;由榫卯節(jié)點(diǎn)連接的柱架側(cè)移變形引起的能量耗散最大,柱腳滑移及鋪?zhàn)鲗幼冃蔚哪芎妮^小且較為接近。
　　(3)建立了基于木結(jié)構(gòu)古建筑結(jié)構(gòu)特征及構(gòu)件恢復(fù)力特性的空間桿系有限元模型,提出用正比于單元初始剛度的單元阻尼矩陣[]c=

6、e[]2kzw代替經(jīng)典的eRayleigh阻尼以模擬古建筑中榫卯及斗栱的阻尼性能,進(jìn)行了動(dòng)力非線性時(shí)程分析,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了計(jì)算模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上,對(duì)殿堂式木結(jié)構(gòu)古建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能進(jìn)行了參數(shù)分析,結(jié)果表明:柱腳剛接或者鉸接后結(jié)構(gòu)的整體加速度放大系數(shù)明顯大于原始結(jié)構(gòu),在一定程度上削弱了木結(jié)構(gòu)古建筑的抗震能力;斗栱的設(shè)置可明顯延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的自振周期且具有減震作用,斗栱剛度越大,其耗能減震作用越弱;結(jié)構(gòu)阻尼比z的增加可有效降低

7、木結(jié)構(gòu)古建筑的地震反應(yīng);屋蓋質(zhì)量的增加會(huì)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期并增大結(jié)構(gòu)相對(duì)位移反應(yīng),且有助于提高斗栱的耗能減震能力。
　　(4)提出了可以同時(shí)考慮柱腳滑移、榫卯半剛性連接及鋪?zhàn)鲗痈粽鹱饔玫暮?jiǎn)化動(dòng)力計(jì)算模型,建立了以水平位移(動(dòng)力自由度)為未知量的集中質(zhì)量模型并給出了各狀態(tài)下的動(dòng)力方程及統(tǒng)一表達(dá)式,給出了體系嚙合及滑移兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變的臨界狀態(tài)判定條件;采用Wilson-θ法對(duì)所建立的集中質(zhì)量模型進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析,利用MATLAB軟件