水平激励下古建筑木结构摇摆响应研究

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古建筑是人类文明传承的鉴证和人类文化的瑰宝,具有重要历史意义和学术价值。多数中国古建筑以木结构作为承重体系,科学地保护古建筑木结构已越来越受现代社会认同。地震是影响古建筑存续的核心因素之一。地震作用下古建筑的垮塌多由木结构的倾覆造成,但倾覆木结构中少见明显的构件破坏。因此,能够准确预测地震作用下古建筑木结构的动态响应是古建筑保护的关键环节和必备要素。针对古建筑木结构开展相关研究同时也是古建筑预防性保护的重要组成,具有科学意义和工程指导价值。
  目前与古建筑木结构抗震性能、安全极限相关的研究大都集中在节点或结构的静力、拟静力研究,但由于古建筑木结构结构形式和边界条件的特殊性,这类研究往往无法准确揭示其抗震机理。针对古建筑木结构的振动台试验由于模型搭建耗时、试验费用昂贵而开展数量较少,故仍存在对古建筑木结构动态响应阐释不系统的问题。针对上述问题,本文采用理论分析方法对古建筑木柱进行了水平激励下的动态响应分析,利用现场实测榫卯节点缝隙数据开展了缝隙统计学规律研究,并在此基础上完成了水平激励下含榫卯节点缝隙的木构架摇摆响应分析。论文的主要研究内容及成果如下:
  (1)基于既有古建筑木结构振动台试验、震害调查结果及结构特征,建立了包含栌斗的木柱动态响应分析简化模型,提出了水平激励下木柱可能的动态响应形式,阐述了触发不同动态响应的临界条件,建立了各动态响应的运动控制方程。对不同动态响应的触发临界条件进行了参数灵敏度分析,揭示了水平激励下木柱最易被触发抬升响应继而进入摇摆状态,提出了栌斗偏心率的改变能显著影响木柱的摇摆临界条件。通过数值模拟方法建立了木柱有限元实体模型,分析了不同动态响应的触发条件及相关参数对触发条件的影响,验证了理论分析结果的可靠性。
  (2)选取水平激励下木柱最易被触发的摇摆响应进行了系统研究,细化了木柱动态响应分析简化模型,引入了栌斗底面边长与柱截面直径的不同大小关系。基于Housner模型建立了存在栌斗的摇摆木柱复位能量耗散模型。依据木柱倾覆前是否经历复位及复位与激励结束的先后顺序等因素区分了不同摇摆倾覆工况,全面阐释了水平正弦激励下木柱的倾覆状态。提出了木柱不同倾覆状态的临界水平激励值,揭示了栌斗较大且底边超出柱顶截面外时木柱的摇摆稳定性最佳。
  (3)实测了某古建筑群千余组榫卯节点缝隙值,按其所处位置划分了水平、竖直方向两类,阐释了水平、竖直方向缝隙的基础统计特征。采用最大似然估计法建立了水平、竖直方向缝隙的Weibull分布模型,阐明了缝隙的概率分布特征,利用概率图相关系数法、安德森-达令法检验了拟合优度。基于榫卯节点缝隙统计学模型构建了包含水平、竖直方向缝隙的榫卯节点实体有限元模型,揭示了榫头顶部的竖直方向缝隙对榫卯节点力学性能影响更显著。
  (4)基于木结构摇摆响应特征及木构架原貌,考虑榫卯节点缝隙的影响建立了佛光寺东大殿横向木构架摇摆动态分析模型,揭示了木构架摇摆抬升临界条件及榫卯节点限位临界条件。提出了摇摆木构架复位能量耗散模型,阐明了木柱长细比是影响木构架复位能量耗散的关键因素。依据榫卯节点是否限位木构架摇摆幅度、复位与激励结束时刻发生的先后顺序区分了水平激励下木构架摇摆倾覆工况,提出了不同工况下木构架摇摆倾覆临界条件,综合分析模型所涉基本假定及榫卯节点缝隙统计学模型评估了木构架的摇摆安全状态。建立了木构架有限元模型,通过拟静力分析及动力时程分析验证了理论分析结果及所涉基本假定的合理性、有效性。
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