传统木结构动力有限元分析

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中国传统建筑有着悠久的历史和灿烂的文化,木结构作为中国传统建筑主要的结构体系之一具有独特的历史和艺术价值。然而,随着时间的推移传统木结构在各种自然环境的侵蚀下出现了不同程度的破坏,因此采用科学的方法保护传统木结构刻不容缓。由于传统木结构结构复杂,对其进行整体理论研究困难重重,而进行模型试验研究又需要大量的经费和人力,因此运用有限元技术对其进行研究具有重要的意义。本文基于国内外关于传统木结构节点、构件再到整体结构的研究现状,根据节点或构件的滞回特性,确立了相关简化规则,建立能够反映其滞回特性的简化有限元模型,再以此为基础建立了整体结构的简化有限元模型,通过与试验对比验证简化有限元模型的正确性,最后对其进行了参数分析。基于传统木结构榫卯节点、斗栱和柱脚节点以及其他构件的滞回性能,建立了相关的滞回模型,并运用ANSYS有限元软件通过组合的Combine40弹簧单元、Combine40+Combine14弹簧单元、Combine39+Combine40弹簧单元简化模拟榫卯节点、斗栱以及柱脚节点,最后与已有的相关节点或构件的试验进行对比,结果表明这些简化有限元模型能够较好地表现其相应的滞回性能。以节点及构件的简化有限元模型为基础建立了西安钟楼缩尺结构简化有限元模型。通过模态分析和动力时程分析得到计算模型的动力特性和动力响应并与振动台试验结果进行对比,验证了计算模型的可靠性。基于已有的西安钟楼缩尺结构有限元模型,对传统木结构动力性能进行了参数分析。结果表明木质填充墙的存在明显增加了结构自振频率,提高了结构的抗侧刚度,导致结构整体的相对位移明显减小;屋盖质量的增加会降低结构自振频率并增大结构相对位移;外檐结构对主体结构有显著的约束作用,一定程度上增加了结构自振频率,降低了结构的相对位移,提高了结构的抗震能力。
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