古建筑木结构残损节点力学分析与抗震性能探讨范文

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论文字数:42366 论文编号:sb2021062814370736189 日期:2021-06-28 来源:硕博论文网
本文工作可分为四部分:第一部分为木材的材性试验,得到所需木材的物理和力学性能;第二部分为有限元软件 ABAQUS 对直榫节点的研究分析,验证了仿真模型的可靠性;第三部分为残损榫卯节点的抗震性能分析,用有限元模拟方法对残损节点进行低周反复加载试验,得到了不同残损情况下的 P-Δ 滞回曲线和 M-θ 骨架曲线,并根据初始刚度的衰减、刚度退化、耗能能力等情况作为判断依据;第四部分为木结构的整体力学性能分析,以保定淮军公所戏楼部分为依托,通过对其静力分析后找出结构薄弱部分,再进行抗震性能分析,并研究了残损节点对其抗震性能的影响。其中第一、二部分内容为第三部分内容的基础;前三部分内容为第四部分内容的依据。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景及意义
古建筑是中国文化遗产中的一颗明珠,它记录着一个城市随历史的变迁,能很好地反映出当时社会的生活方式、科技水平和风俗习惯等。其奇特的建造技术和工艺使之形成了独具特色的东方古典建筑体系。
古建筑中木结构是最具特色也是应用最多的一种,从宫殿、佛寺到商铺民居,尽管规模形式不一,但总体上都以木结构为主[1]。究其原因,主要有以下几个方面:1)承重构件与围护结构相辅相成,分工明确。柱架层为结构主要承重构件,在整个建筑中起着决定性作用,墙体不承担重量起维护和隔断作用,这使空间布置有很好的灵活性;2)木结构主要构件交错连接,具有良好的稳定性。古建筑木结构一般由台基层、柱架层和屋面层组成,建造时依靠木构件相互搭接和穿插而成,不费一钉一铆[2]。节点采用榫卯连接,这种结合方式是介于刚性与柔性间的“半刚性”连接[3],各节点间刚柔并济、协同工作,在强烈地震作用下,榫卯间的摩擦可以消耗一部分能量,从而在一定程度上减少对房屋的破坏。例如 1995 年日本神户大地震后,保留下来的房屋大多为木结构。
然而,随着历史的更迭、战火的洗礼和自然环境的侵蚀,主要是台风、地震的破坏,使木结构遭受不同程度的损伤,这些损伤随时间积累逐渐恶化[4]。较为典型的残损形式有柱根、角梁的腐朽、虫蛀腐蚀、木材开裂等,材性退化、构件有效截面面积的减小、构件连接区的破坏等使木结构承载和变形能力显著降低。因此,为了传承中国传统文化,需对古建筑木结构的保护和修缮提起重视,提高其使用寿命。至今,大量修缮工作尚无成熟完善的理论支持,对残损类型和残损程度也缺乏定量研究,维修加固时大多按传统经验方法进行。因此,科学的研究木结构的抗震性能是木结构抗震加固的重要前提,也是木结构修缮的重要参考。
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1.2 古建筑木结构分类
古建筑木结构按其传力情况的不同大致可分为三类:抬梁式、穿斗式、井干式。其中,抬梁式、穿斗式木结构应用较为广泛[5]。
1.2.1 抬梁式
抬梁式又称叠梁式[6],是一种梁架结构体系,垂直构件为柱,水平构件为梁,梁直接穿插在立柱上。这种构架的特点是梁逐层缩短层层相叠,形成三角屋架。再在梁上和最顶层脊瓜柱上架檩,檩上铺椽,构成双坡顶屋面,如图 1-1 所示。抬梁式木结构在我国北方应用较广,其辉煌的外表深受皇室青睐,为皇家建筑群所选,此外在寺院、官衙、庙宇中也有所应用。山西五台佛光寺大殿、平顺天台庵正殿是抬梁式建筑的实例。
图 1-1 抬梁式木结构示意图.
图 1-1 抬梁式木结构示意图1.2.2 穿斗式
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第 2 章 木材材性试验

2.1 木材物理性质
2.1.1 木材含水率及其测定
常态下木材都会有一定水分,其主要存在形式为自由水、吸着水和化合水。自由水可自由流动,主要存在木材细胞内。吸着水由细胞内胶体颗粒吸附,存在于木纤维中。化合水又叫结合水是指与细胞内的物质结合,不可自由移动的水。木材中的水分用含水率表示。含水率按照《木材含水率测定方法》[45]测定。1#(JZ-落叶松)、2#(XZ-落叶松)、3#(XL-铁杉)分别选取 10 个 20mm×20mm×20mm 标准试样进行试验,如图 2-1 所示。烘箱温度控制在(103±2)℃,用天平(精确度达到 0.001g)测量试样烘干前后的质量。
图 2-1 含水率试样加工与测量
图 2-1 含水率试样加工与测量
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2.2ABAQUS 有限元软件简介
ABAQUS 集中于结构力学和相关领域研究,其拥有丰富的单元种类和材料模型,可模拟任意几何形状和工程材料。另外,用户还可以通过用户子程序自定义单元种类,为精确模拟提供了更多的选择余地。
ABAQUS 非线性功能涵盖材料非线性、几何非线性和状态非线性等,使其在求解非线性问题时具有非常明显的优势,不仅能够选择合适荷载增量和收敛限度,还能连续调节参数以确保在分析过程中能得到精确解。因此在设计和研究高端用户群中得到了广泛认可。
想要合理得到高精度的结果,模型单元的选取至关重要。考虑到木材的特性及榫卯节点接触、受力等特点,榫卯节点的模拟可看做非线性接触问题。此外,要准确合理的模拟出木材的正交各向异性,选择的单元必须满足三维空间上的自由度。综上,在建立榫卯节点有限元模型时选用 C3D8R 实体单元。
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第 3 章 榫卯节点有限元模型建立·························23
3.1ABAQUS 有限元软件简介·························23
3.2 有限元模型建立····························23
第 4 章 残损榫卯节点抗震性能分析·························31
4.1 虫蛀对榫卯节点抗震性能的影响························31
4.1.1 模型设计·················31
4.1.2 不同虫蛀残损程度下的结果及分析 ·······················33
第 5 章 保定淮军公所戏楼抗震性能研究··························53
5.1 保定淮军公所概况·······························53
5.1.1 保定淮军公所简介·······························53
5.1.2 保定淮军公所戏楼破坏与加固情况 ························54

第 5 章 保定淮军公所戏楼抗震性能研究

5.1 保定淮军公所概况
5.1.1 保定淮军公所简介
保定淮军公所全称“淮军昭忠祠暨公所”,建于 1888 年-1891 年(光绪十四至十七),是李鸿章任直隶总督兼北洋大臣后奉诏修建的“淮军昭忠祠”及淮军办公驻地合一的建筑群。现位于保定市旧城区西南隅,环城西路 220 号。淮军公所有明显的晚清徽式祠堂建筑风格,是我国北方保存较完整的以木结构为主体的古建筑群。曾多次被列为国家重点文物保护单位,因此具有较高的文物价值和研究价值。
其中最大的木结构体系为戏楼。戏楼整体呈方形,南北长 32.67 米,东西宽 29.93米。整体为四合院加罩棚式结构,东西包厢轴线对称,南部伸出式舞台与后台、倒座连为一体,北部为戏楼正房与舞台相对。四周侧房为上下两层与大木构架连接成一体,满足了戏楼的功能要求。图 5-1 为保定淮军公所局部现状。
图 5-1 保定淮军公所局部
图 5-1 保定淮军公所局部

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结论


本文工作可分为四部分:第一部分为木材的材性试验,得到所需木材的物理和力学性能;第二部分为有限元软件 ABAQUS 对直榫节点的研究分析,验证了仿真模型的可靠性;第三部分为残损榫卯节点的抗震性能分析,用有限元模拟方法对残损节点进行低周反复加载试验,得到了不同残损情况下的 P-Δ 滞回曲线和 M-θ 骨架曲线,并根据初始刚度的衰减、刚度退化、耗能能力等情况作为判断依据;第四部分为木结构的整体力学性能分析,以保定淮军公所戏楼部分为依托,通过对其静力分析后找出结构薄弱部分,再进行抗震性能分析,并研究了残损节点对其抗震性能的影响。其中第一、二部分内容为第三部分内容的基础;前三部分内容为第四部分内容的依据。主要结论及如下所示:
根据前期对木材的材性试验,使用ABAQUS有限元软件建立直榫榫卯节点,并与刘开封的直榫节点试验进行对比,验证了模型的可靠性,为后续分析奠定了基础。通过模拟与试验结果发现,直榫节点滞回曲线呈现出典型的“Z型”,具有明显捏缩效应,这充分体现出榫卯间的滑移特性,骨架曲线体现出在低周反复荷载作用下直榫节点经历了弹性、屈服和破坏三个阶段。
在验证有限元建模可靠的基础上,对虫蛀、压缩变形、木材开裂三种残损情况对直榫进行了抗震性能研究。研究表明:虫蛀残损和压缩变形对榫卯节点的峰值荷载影响较大;虫蛀残损和木材开裂后的节点较完好节点变弱,耗能有所提高;卯口裂缝深度对抗震性能影响较大,缝宽、缝长影响较小。
对保定淮军公所戏楼进行静力下的力学性能分析,从轴力、剪力、弯矩的分布情况结合现存戏楼实际情况,发现戏楼中罩棚相对整个结构较薄弱。而后对罩棚精细化建模进行模态分析,研究表明:罩棚的震动频率越来越大,相应的周期越来越小,在外界激励下罩棚更易发生水平方向变形,薄弱部位主要集中在一层柱架层。
参考文献(略)


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