地震作用下木結(jié)構(gòu)古建筑的動力分析.pdf

1、木結(jié)構(gòu)古建筑在地震作用下的動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)保護亟需解決的難點問題。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)計思想的基礎(chǔ)上,對按照《營造法式》制作的一個單層單開間殿堂結(jié)構(gòu)當心間模型進行了單向地震激勵下的振動臺試驗,定量研究了殿堂結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力特性及地震反應特點;基于構(gòu)件的恢復力特征建立了殿堂結(jié)構(gòu)的空間有限元桿系模型,并進行了有限元動力時程分析;同時提出了綜合考慮柱礎(chǔ)滑移隔震、半剛性榫卯節(jié)點的

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)特點的簡化計算模型;在動力非線性時程分析的基礎(chǔ)上采用IDA方法對其抗倒塌性能進行了研究。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)計思想,研究表明:木結(jié)構(gòu)古建筑平面形狀簡單、規(guī)則,柱網(wǎng)布置對稱,平面及豎向剛度均勻,嚴格限制房屋長寬比及高寬比,結(jié)構(gòu)體型的選取符合當前抗震概念設(shè)計原則;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)計方法不僅確保了結(jié)構(gòu)的安全性,而且同時考慮了木材蠕變與松弛對結(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)對縮尺比為1:3.52的單開間殿堂式木結(jié)構(gòu)模型進行了振動臺試驗,研究了在不同地震激勵作用下柱腳、柱架

4、頂面及屋蓋的相對位移及加速度反應特點,分析了結(jié)構(gòu)的動力特性、破壞模式、動力抗側(cè)剛度的變化趨勢及各層次的滯回耗能特點,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強度的增加而逐漸增大,其波動范圍分別為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,而鋪作層的隔震作用主要取決于地震波頻譜特性及結(jié)構(gòu)自振頻率之間的相對比例關(guān)系;當名義PGA分別為300gal、400gal、600g

5、al、900gal時,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)更強的變形能力;隨著地震強度的增大,結(jié)構(gòu)整體剛度呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢,其波動范圍為0.346～0.028kN/mm;由榫卯節(jié)點連接的柱架側(cè)移變形引起的能量耗散最大,柱腳滑移及鋪作層變形的能耗較小且較為接近。
　　(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,進行了動力非線性時程分析,并與試驗結(jié)果進行了對比,驗證了計算模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上,對殿堂式木結(jié)構(gòu)古建筑結(jié)構(gòu)動力性能進行了參數(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;屋蓋質(zhì)量的增加會延長結(jié)構(gòu)自振周期并增大結(jié)構(gòu)相對位移反應,且有助于提高斗栱的耗能減震能力。
　　(4)提出了可以同時考慮柱腳滑移、榫卯半剛性連接及鋪作層隔震作用的簡化動力計算模型,建立了以水平位移(動力自由度)為未知量的集中質(zhì)量模型并給出了各狀態(tài)下的動力方程及統(tǒng)一表達式,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法對所建立的集中質(zhì)量模型進行彈塑性時程分析,利用MATLAB軟件