中国古建筑木结构边跨半榫节点抗震机理范文研究

论文价格:150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:vicky 点击次数:197
论文字数:33233 论文编号:sb2021042810253635329 日期:2021-05-01 来源:硕博论文网
本文通过理论和有限元两个方面研究该类节点的抗震机理:(1)理论分析方面:本文对该类节点在地震荷载作用下的正向加载和负向加载下的力学响应进行描述,将该类节点在地震荷载作用下的往复运动过程分为自由转动阶段、弹性状态阶段、塑性状态阶段。使该类节点在地震荷载作用下的工作机理更为明晰。使用力学分析的方法对该类节点地震荷载作用下的 M-θ曲线进行预测,将 M-θ 曲线分为自由转动阶段、弹性状态阶段和塑性状态阶段。将每个阶段相应的影响因素(摩擦系数、材料参数、尺寸参数等)进行了汇总,提出了对应于每个阶段和每个转点的理论公式,以方便实际应用。

第 1 章 绪论

1.1 课题背景与意义
中国古建筑木结构是中国历史、文化、人文、艺术的集成,能够反映我国每一个时代的特色,向后世传递着中华民族之精神。梁思成先生认为中国古建筑木结构属于东方独立建筑系统,虽然曾经多次受到外来异族的影响,发生变异,但仍然保存着它固有的结构形式、布置规模,它是“极特殊”、“极长寿”、“极体面”的。中国古建筑木结构通常具有“大屋顶”、“木骨架”、“石台基”等 3 大特征,这些特征使其区别于世界其他地域和国家的建筑,以其独特的建筑形式屹立于世界建筑之林。
但是目前中国古建筑木结构往往建造年代久远,在其漫长的生命周期中,风吹日晒、腐朽虫蛀、干湿交替、地震飓风等环境因素和游客观光、周边改造动土、战争等人为因素为中国古建筑木结构带来各种形式的损伤。如整体结构倾斜、扭转和沉降等结构层次的损伤,梁枋的挠曲、柱的倾斜、榫卯的拔出等构件层次损伤:用材的腐朽、虫蛀、裂缝、孔洞等材料层次损伤。上述损伤使得中国古建筑木结构健康情况令担忧。
带有损伤的中国古建筑木结构在地震荷载作用下往往会出现局部破坏,甚至倒塌现象,其带来的经济财产损失无法估计,人文艺术损失更无法弥补。经调研发现,中国古建筑木结构在地震灾害作用下,多发生榫卯节点位置的破坏,例如榫卯部位的劈裂、拔榫等,梁枋和檐柱等本身的破坏较少。因此,对中国古建筑木结构榫卯节点进行加固修缮,可以很好的避免整体结构的破坏。针对地震荷载的中国古建筑木结构榫卯节点加固修缮往往要依托于中国古建筑榫卯节点抗震机理,因此对榫卯节点抗震机理的研究就尤为重要。
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1.2 课题相关内容介绍
1.2.1 中国古建筑木结构
中国古建筑木结构是中国历史、文化、人文、艺术的集成,能够反映每一个时代的特色,向后世传递着中华民族之精神。梁思成先生认为中国古建筑木结构为属于东方独立系统,虽然曾经多次受到外来异族的影响,发生变异,但仍然保存着它固有的结构形式、布置规模,它是极特殊、极长寿、极体面的。中国古建筑木结构通常具有“大屋顶”、“木骨架”、“石台基”等 3 大特征,这些特征使其区别于世界其他地域和国家的建筑,以其独特的建筑形式屹立于世界建筑之林。
“石台基”有着防止出现上重下轻之势的美观作用,在结构层面的作用类似于现代结构的筏板基础,具有防止结构倾覆,坚实地坪,传递荷载之用,同时兼有防水排水的作用;“木骨架”是中国古建筑木结构的重中之重,该部分是科学和美学共同结合的结晶。中国古建筑木结构使用木材构架作为骨干,然后加上墙壁,如同皮肉之附于骨上。结构的负重部分全赖木架,毫不借助墙壁,也就是所谓的“墙倒屋不塌”。这也是中国古建筑木结构最独特的特点,只有哥特式中所谓的“半木构法”与中国框架极其相似,因有石垒的影响,始终未能如中国框架之彻底纯净。“木骨架”中的斗栱不仅仅美观,而且有均匀转递荷载,抗震,维持结构空间稳定的作用,其中的斗栱由多层曲木组成,会使房檐重量渐次集中到柱的上面,实是横展结构和立柱间最为关键的关节,是中国古建筑木结构的精华。中国古建筑木结构的“大屋顶”最为壮美,上部巍然高耸,檐部如翼轻展,上面布置有檐部装饰,主要考虑雨水和光线以及美观的作用,但在结构层面上仅仅有增加自重的作用。
图 1-1 不同时代的中国古建筑木结构形式
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第 2 章 中国古建筑木结构边跨半榫节点抗震机理理论分析

2.1 边跨半榫节点模型选取
边跨半榫节点模型见图 2-2,相应尺寸如下表 2-1(营造法式尺寸),表 2-2(试件模型尺寸)
图 2-2 中国古建筑木结构边跨半榫节点详细尺寸示意图
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2.2 地震荷载作用下边跨半榫节点往复运动过程理论描述
本部分对边跨半榫节点模型地震荷载作用下的往复运动过程进行理论描述,边跨半榫节点具体形式已经在图 2-2 中给出,在理论分析中需要考虑榫头和卯口间的缝隙。因为真实中国古建筑木结构榫卯节点工作时,缝隙的参与是无法避免的:
(1)在榫头和卯口安装时,需要事先预留初始缝隙以方便安装;(2)在漫长的服役周期中,自重、地震荷载等,会增大榫头和卯口间的缝隙;(3)环境因素对于木材料的影响,例如木材的干缩、糟朽等,同样会增大上述构件间存在缝隙;
中国古建筑木结构边跨半榫节点正向加载初期转动为自由转动,这是由于缝隙的存在造成的。因此初始转动时,边跨半榫节点承受弯矩的能力较弱,弯矩承载力主要由榫头和卯口间的摩擦力提供,该摩擦力与榫头和卯口间安装时产生的挤压应力有关,如图 2-4(a),该阶段属于自由转动阶段;当榫头发生转动,榫头和卯口间存在接触,接触区域见图 2-4(b),出现 2 处横纹压缩区域和1 处脱离区域,此时边跨半榫节点处于弹性状态阶段,接触位置处于受压弹性变形阶段。此时依靠受压区弹性变形提供弯矩。此阶段在停止施加荷载后,变形可以恢复;最后边跨半榫节点进入塑性状态阶段,该阶段受压位置出现塑性变形,上下两点横纹受压塑性变形先后顺序与接触尺寸(受压面积)有关。出现塑性变形的同时,中国古建筑木结构边跨半榫节点大榫头底部出现脱离现象,该脱离现象与缝隙尺寸有关,如图 2-4(c)。
图 2-4 中国古建筑木结构边跨半榫节点正向加载

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第 3 章 中国古建筑木结构边跨半榫节点抗震机理有限元分析....................27
3.1 边跨半榫节点有限元模型建立....................... 27
3.1.1 研究工具的选择.................................. 27
3.1.2 有限元模型的选取............................... 27
第 4 章 带缝工作的中国古建筑木结构边跨半榫节点抗震机理有限元分析...................40
4.1 带缝的边跨半榫节点有限元模型建立.......................... 40
4.1.1 缝隙设置简述........................ 40
4.1.2 建模细节................................ 41
第 5 章 结论与展望..........................50

第 4 章 带缝工作的中国古建筑木结构边跨半榫节点抗震机理有限元分析

4.1 带缝的边跨半榫节点有限元模型建立
4.1.1 缝隙设置简述
中国古建筑木结构榫卯节点带缝工作是常态的,因此在中国古建筑木结构边跨半榫节点抗震机理研究过程中也需要考虑其带缝工作状态。真实中国古建筑木结构中存在缝隙的原因如下:
(1)在榫头和卯口安装时,需要事先预留初始缝隙以方便安装;
(2)在漫长的服役周期中,自重、地震荷载等,会增大榫头和卯口间的缝隙;
(3)环境因素对于木材料的影响,例如木材的干缩、糟朽等,同样会造成上述构件间缝隙增大;
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第 5 章 结论与展望


结论:中国古建筑木结构具有极高的历史、文化、人文、艺术的价值,但是其漫长的生命周期使其受到环境因素和人为因素的影响,出现各种形式的损伤。带有损伤的中国古建筑木结构在地震荷载作用下往往会出现局部破坏,甚至倒塌现象,其带来的经济财产损失无法估计,人文艺术损失更无法弥补。经调研发现,中国古建筑木结构在地震灾害作用下,多发生榫卯连接位置的破坏,对榫卯节点的保护有益于对整个结构的保护。针对地震荷载作用下的中国古建筑木结构榫卯节点加固修缮往往要依托于中国古建筑榫卯节点抗震机理,因此对榫卯节点抗震机理的研究就尤为重要。
本文选取了目前国内外学者研究较少的边跨半榫节点,该节点在抬梁式中国古建筑木结构中边跨位置经常被使用,本身抗拉拔能力弱,故该类节点在地震荷载作用下容易出现局部破坏,导致中国古建筑木结构的倒塌。另外,在榫头和卯口安装时,需要事先预留初始缝隙以方便安装;在漫长的服役周期中,自重、地震荷载等,会增大榫头和卯口间的缝隙;环境因素对于木材料的影响,例如木材的干缩、糟朽等,同样会造成上述构件间的缝隙增大;因此,带缝工作应该是中国古建筑木结构边跨半榫节点地震荷载作用下的工作常态。但是目前很少学者对榫卯节点带缝工作状态进行研究。
参考文献(略)


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