三等材带垫层木构架力学性能研究

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柱脚是古建筑木结构的常见破坏节点,长时间的高应力环境和生物化学侵蚀等因素会导致柱脚处的复杂残损。为了模拟这一现象,本文建立了一榀三等材木构框架,并在柱脚处设置了厚度和弹性模量均可变的垫层。参考现有的国内外抗震设计规程,在Abaqus软件中对于带不同情况垫层的木构架模型进行了拟静力加载和动力加载模拟分析。拟静力分析采用位移加载的方式,加载曲线分为两种类型,每个循环加载位移峰值线性增加的加载曲线和CUREE加载曲线。分析了第一种加载情况下带垫层木结构的整体变形、P-△曲线、骨架曲线、刚度退化曲线变化情况,提出了以初始刚度和最大位移处刚度比作为木构架的延性系数的观点,并分析了柱底垫层对结构的整体延性影响。结果发现,在结构的弹性变形阶段,随着柱底垫层弹性模量的衰减,正反向加载的比例极限发生了下降,说明柱脚的塑性化会降低木结构弹性工作阶段的极限抗侧力。当结构进入滑移阶段之后,垫层弹性模量的下降会略微提升结构在最大位移处的抗侧承载力,但同时也会显著降低构架的初始抗侧刚度和静态延性。(1)计算了CUREE加载情况下带垫层构架的强度退化系数,比较垫层结构对于构架整体强度退化的影响,发现随着加载循环次数的增加,结构的抗侧力呈现出先增加后减小的趋势,弹性模量越小的垫层结构的抗侧力强化段越不明显。(2)动力分析采用在底板输入正弦加速度激励的方法,本文提出了评价正弦激励单周期输入能量大小的计算指标。根据定理分析了影响木构架动力响应的相关物理量。计算木构架在不同动力输入、竖向荷载和垫层结构情况下的自振频率,发现只有当垫层足够厚,且弹性模量衰减超过50%时,构架的自振频率才发生下降。垫层越厚,垫层的弹性模量越小,木构架的自振频率越小。(3)提出了基于柱顶和输入加速度比值来表征结构隔振效应大小的动力传导比,研究不同动力输入、竖向荷载和垫层结构情况下动力传导比大小。发现柱底垫层弹性模量的衰减和厚度的增加会显著提高结构的整体隔振效应。(4)研究了结构的柱顶柱底相对位移随着动力输入和垫层结构的变化,结果表明,在垫层弹性模量衰减不超过50%的情况下,垫层厚度增加会降低结构的最大位移。最后本文尝试通过非线性动力学理论去解释木构架的动力响应对于不同输入情况下的复杂敏感性,绘制了结构自由振动段的相图去表示结构在自振情况下运动状态。发现垫层弹性模量的衰减、垫层厚度的增加和柱顶质量的增加会加快结构自振情况下的能量耗散。
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