木柱残损对古建筑木结构抗震性能的影响研究

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古建筑木结构等众多文化遗产记录着中华民族伟大的历史文明,其价值不可估量。然而随着时间推移,古建筑木结构自身及外部条件造成的残损使得结构各项力学指标及动力特性发生变化,对其抗震性能的影响尤为明显。因此,探讨残损对于结构抗震性能的影响,可为古建筑木结构的保护加固提供理论依据。本文以光岳楼木结构为研究对象,对其主要承重木柱残损现状进行调研,建立光岳楼木结构完好模型及残损模型,进行静力分析及时程分析,研究木柱残损对光岳楼木结构受力变化及抗震性能的影响。具体内容如下:(1)通过实地调研,获取光岳楼各层构件材料、尺寸等基础数据,依据规范对其残损较为严重的一、二层木柱进行安全性等级鉴定,对构件的残损机理进行分析。(2)应用ANSYS有限元软件建立光岳楼完好模型,根据实地调研结果及规范折减残损木柱弹性模量建立残损模型,对两个模型进行静力分析。得出结论:光岳楼木柱既有残损对整体结构位移影响较小;残损模型自东向西、自南向北位移逐渐增大;柱底最大应力小于木材顺纹抗压强度设计值,结构较为安全。(3)对两个模型进行模态分析及时程分析,与规范计算值进行对比,验证模型合理性,以层间相对位移为指标,探究木柱残损对于光岳楼各层位移变化的影响。结果表明:光岳楼木柱既有残损对低阶频率影响小,对高阶频率影响大;随着地震等级的增加,残损模型较完好模型层间位移退化最大位置由四层转为二层,在天津波作用下最为明显;在罕遇地震作用下,残损模型最大层间位移角为1/56,小于规范限值1/30,结构处于安全状态。(4)针对结构西北侧受力变形较大的现状,设计残损一层西北侧、二层西北侧及一、二层西北侧木柱三种工况,探究残损程度对光岳楼木结构抗震性能的影响。结果表明:随着残损程度的增加,残损模型较完好模型层间位移退化最大位置由四层转为二、三层;二层木柱残损对结构自振频率影响较一层大;下部两层木柱残损叠加累积效应使得结构各层层间相对位移增加明显。(5)根据光岳楼木柱残损现状,对一层木柱残损及二层木柱残损两种工况下的残损模型进行时程分析,探究残损位置对光岳楼木结构抗震性能的影响。结果表明:二层木柱残损对结构自振频率影响较大;一层木柱残损模型柱脚位移较二层大,且各层层间相对位移增量较均匀,表明结构底层残损可使柱脚摩擦滑移增大减轻地震作用,但需合理控制底部残损以免柱脚滑落导致结构倒塌。
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