木结构古建筑结构特性的计算研究

对蕴藏丰富历史文化信息的中国古建筑的研究和保护是抢救中华文化遗产的重要内容。本文在木结构古建筑结构特性实验研究的基础上,通过定义和引入反映木结构古建筑斗栱与榫卯节点特性的半刚性节点单元,建立适合木结构古建筑特点的3维有限元计算模型和分析方法。研制了有限元动力分析软件SAFATS。利用现场实测和模型实验结果,采用Simplex方法反演推断半刚性节点平均刚度的范围。通过有限元动力计算以及与现场实验和模型实验结果的对比分析,获得了西安北门箭楼的前6阶振动模态。     

古建木构铺作层侧向刚度的试验研究

通过对单铺作、两铺作、四铺作模型的低周反复荷载试验,研究了枓栱侧向刚度的退化规律。试验得出了单铺作、两铺作、四铺作的力-位移滞回曲线及骨架曲线。通过试验可以看出铺作层的变形是以水平滑移为主。摩擦滑移具有耗能、隔振作用,这也是古建筑木结构有着良好的抗震性能的重要因素。试验模型的滞回曲线呈平行四边形,滞回面积饱满。这说明铺作层具有良好的滞回耗能特性。铺作层的力学模型属于线性强化弹塑性模型。根据试验得出的恢复力模型反应了铺作层的恢复力特性及刚度变化规律,适应于同类木结构的静力传递和结构动力分析计算研究。     

木结构古建筑结构特性的实验研究

中国古建筑是中华文明的重要组成部分,其影响远及日本、韩国。其中最具中国特 色、数量最多的当属木结构古建筑。随着时间的延续,对这类历史文物的保护日益迫切。为 了对木结构古建筑的结构特性有准确的把握,为研究和维修保护提供依据,本文通过对具有 一定代表性的西安北门箭楼的现场脉动试验和激振实验获得了大量第一手资料如结构的自振 频率以及结构整体的振动模态。通过有机玻璃模型及木模型的多点激振实验验证了实测结果, 建立了适合这类结构的实验方法,获得了有关结构动力特性的更为详尽的信息。通过对实验 结果的讨论,获得了木结构古建筑的基本动力学特征。在本文的姊妹篇,即本研究的第二部 分中,结合实验结果及结构特点,建立了针对木结构古建筑的结构模型和分析方法,编制了 考虑斗栱和榫卯等半刚性节点的三维有限元分析程序,并对西安北门箭楼作了详细研究。     

考虑榫卯松动的古建筑木结构地震响应分析

通过缩尺比为1∶3.52的完好古建筑木结构当心间模型振动台试验,得到了完好古建筑木结构模型的破坏模式、加速度时程曲线及相对位移时程曲线。在验证完好结构有限元模型正确性的基础上,建立了考虑榫卯松动的残损古建筑木结构有限元模型,通过对残损古建筑木结构模型在地震作用下的模态分析和动力响应分析,探讨了榫卯松动对古建筑木结构动力特性和动力响应的影响。结果表明：榫卯松动的古建筑木结构自振频率较完好结构的低,且随榫卯连接残损程度的增大,模型自振频率显著降低;残损结构柱脚加速度响应和位移响应、柱架加速度响应及模型结构基底剪力较完好结构的小,柱架位移响应较完好结构的大,且随榫卯连接残损程度的增大,柱脚加速度响应和位移响应、柱架加速度响应及模型结构基底剪力明显变小,柱架位移响应显著变大。随PGA的增大,残损结构模型累积耗能不断变大;随榫卯连接残损程度的增大,模型各结构层的累积耗能先逐渐增大,当松动量超过一定值后,其累积耗能不断减小。     

残损古建筑木结构燕尾榫节点抗震性能试验研究

残损是现存古建筑木结构的普遍状况,显著地降低了结构的抗震性能。为研究残损对燕尾榫节点抗震性能的影响,参照宋《营造法式》殿堂三等材的尺寸要求,制作了3个比例为1∶3.2的燕尾榫节点模型,包括1个完好节点、1个模拟榫头真菌腐朽的残损节点和1个模拟榫头虫蛀的残损节点。榫头真菌腐朽和榫头虫蛀分别采用在榫头表面钻一定深度的孔和在榫头钻通孔的方法来模拟。通过低周反复加载试验对残损节点的破坏特征、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线和耗能性能进行了研究,分析了残损燕尾榫节点抗震性能的退化规律。结果表明:残损燕尾榫节点的破坏形态与完好节点的破坏形态类似,主要表现为榫头和卯口有明显的挤压变形、榫头沿枋纵向部分拔出,枋柱整体完好,但残损节点的榫头拔出更早、拔出量更大,模拟虫蛀节点有榫角被挤碎;残损燕尾榫节点的滞回曲线也有明显的"捏缩"效应,但滞回环饱满度较差;残损节点的转动弯矩、转动刚度均明显低于完好节点,但耗能能力基本不变化;当两种不同残损类型的残损程度相近时,人工模拟真菌腐朽节点的转动弯矩更高、转动刚度更大。     

均布荷载作用下榫卯连接木梁的解析解

基于弹性力学的半逆解法,在均布荷载作用下的简支木梁、铰接木梁和固接木梁解答的基础之上,结合中国古建筑榫卯节点半刚性连接的特点,通过引入两个表示半刚性的参数,得到了榫卯连接木梁内应力分布的多项式解答。通过对一个随梁实例的计算,分析了两个半刚性参数对梁内应力分布的影响,又通过比较榫卯梁和简支梁、铰接梁及固接梁内应力分布的特点,发现剪应力对于木梁尤其是榫卯木梁的影响不能被忽略。该文最后指出,榫卯节点的刚度随荷载的增大是在不断变化的,并给出了变荷载作用下半刚性参数的确定方法。     

古建筑木结构直榫节点力学模型的研究

以中国西南地区穿斗式古建筑木结构中常见的直榫节点为研究对象,对其在低周往复荷载作用下的受力机理进行了详细分析,建立了考虑节点拔榫量影响的M-θ力学模型和相应的实现算法,并给出了简化计算公式,最后采用试验数据对该力学模型进行了验证。结果表明,直榫节点的M-θ力学模型的计算结果与试验曲线吻合良好,可为中国古建筑木结构的抗震性能及加固的研究提供理论基础。     

灌浆套筒连接全装配式框架-剪力墙结构抗震性能试验研究

为研究采用灌浆套筒连接的全装配式框架-剪力墙结构的抗震性能,设计制作了1榀1/2比例两层两跨灌浆套筒连接全装配式框-剪结构模型试件PC-3,并对其进行了低周反复加载试验。通过与已有试验结果对比分析,研究了结构的破坏模式、滞回性能、刚度退化、位移延性和耗能能力等抗震性能指标。结果表明：灌浆套筒连接全装配式框-剪结构试件PC-3与全现浇试件RCFW的破坏模式基本相同,梁端塑性铰长度减小、位置外移,具有良好的耗能能力和较好的刚度特性,试件PC-3的屈服荷载、峰值荷载、极限荷载均略大于全现浇试件RCFW的相应值,但其差值均小于5.0%,延性略小于全现浇试件RCFW,加载过程中耗能较为平稳。两种全装配式框-剪结构均具有良好的抗震性能,工程实践中可供设计人员选择采用。     

钢纤维混凝土局部增强桥墩抗震性能试验研究

为分析钢纤维体积率、钢纤维混凝土增强区域长度以及配箍率等因素对钢纤维混凝土桥墩抗震性能的影响,对考虑以上三个设计参量的八个桥墩试件进行了低周反复荷载作用下的拟静力试验,并探讨了钢纤维混凝土桥墩试件破坏形态、滞回特性、骨架曲线、延性性能和耗能能力等抗震性能。结果表明：钢纤维体积率为1.0%的桥墩试件较其他体积率的试件承载力更大,滞回曲线相对更加饱满,延性性能更好;钢纤维可以代替部分箍筋作用,在较低配箍率下保持良好的抗震能力;在桥墩潜在塑性铰区域局部合理地采用钢纤维混凝土,可达到与桥墩整体采用钢纤维混凝土相近的极限承载力、刚度、延性和耗能能力。最后提出了简化计算公式用以估算在单柱式桥墩中局部使用钢纤维混凝土的合理长度,并通过试验结果验证了其精度。     

钢筋混凝土L形剪力墙抗弯性能的试验研究

在钢筋混凝土框架剪力墙结构中，为更好地满足设计意图及提高结构的抗弯刚度，剪力墙经常设计成为Ｌ、Ｔ及Ｕ型等截面形式。对于了解这种形式剪力墙的整体受力性能，特别是平面外墙体对其抗弯能力的影响程度是很有必要的。本文通过对６件Ｌ形剪力墙及３片Ｉ形对比剪力墙进行了低周反复荷载作用下的试验，研究了Ｌ形墙中平面外墙体对其抗弯性能的影响。     

古建筑木结构燕尾榫节点弯矩-转角模型研究

古建筑木结构燕尾榫节点由于其独特的构造特征而具有与其他节点不同的性能,已有的分析模型不能完全适用于燕尾榫节点。在分析燕尾榫节点受力机理的基础上,根据节点的力学平衡和变形协调关系对燕尾榫节点的弯矩-转角关系进行了理论推导,结合已有的燕尾榫节点拟静力试验结果,提出了以屈服点、极限点为特征点的燕尾榫节点弯矩-转角双折线模型,给出了模型特征点参数计算公式。结果表明,用该模型所得弯矩-转角曲线与试验骨架曲线基本吻合。研究成果可为古建筑木结构的修缮加固提供理论依据。     

木构古建筑柱与柱础的摩擦滑移隔震机理研究

通过对木构古建筑柱础和柱架形式及特性的分析,建立了柱与柱础的摩擦滑移隔震体系模型,给出了柱脚滑移判定条件;运用随机振动理论FPK方程提出了柱与柱础间滑移量在白噪声过程作用下的计算公式;并进行了摩擦滑移隔震位移量的试验测定。试验与计算表明,柱与柱础间因摩擦滑移而隔震耗能,提出的滑移量计算公式是可行的。研究结果可为木构古建筑的抗震性能研究提供借鉴作用,并对古建文物的保护加固提供科学依据。     

古建筑木结构燕尾榫节点弯矩-转角关系理论分析

基于燕尾榫节点受力机理的分析,对燕尾榫节点的转动弯矩进行了理论分析,推导了燕尾榫节点弯矩-转角理论计算公式,并与试验结果进行了对比分析,理论分析结果与试验结果吻合较好;在计算公式的基础上,对燕尾榫节点转动弯矩的影响参数进行了分析,结果表明：在一定范围内,随着摩擦系数的增大,燕尾榫节点的转动弯矩和初始转动刚度也逐渐增大;当摩擦系数超过0.5时,节点的初始转动刚度增加幅度逐渐减小;榫头长度和榫头的“收乍”角度的增大均能够提高燕尾榫节点的转动弯矩以及初始转动刚度;榫头高度的增大能够一定程度地提高燕尾榫节点的转动弯矩,但对节点的初始转动刚度影响不大。所得结果可为古建筑木结构的受力分析提供依据。     

古建筑木结构屋盖梁架体系动力性能分析

针对目前古建筑木结构研究领域中对屋盖梁架的动力性能研究甚少的现状,该文以殿堂型木结构为研究对象,按照《营造法式注释》的构造要求建立屋盖梁架层模型,通过对其进行动力性能分析,得出了屋盖梁架层的结构动力特性以及在各种工况作用下的位移最大响应值和加速度最大响应值,求解出了各梁架层的动力放大系数.研究表明:屋盖梁架模型的第一频率为1.486Hz;屋盖梁架模型的自振频率远远高于振动台试验整体结构模型的自振频率;梁架层最大位移值随地震作用和高度的增加而增大;大震(400gal)时半刚性榫卯连接的减震效果比中震(220gal)、小震(110gal)时的减震效果要好;层间动力放大系数值在1 左右;屋盖层与铺作层的动力放大系数在0.9 左右.     

新型方钢管混凝土柱-钢梁节点的受力机理分析

基于新型方钢管混凝土柱-钢梁节点的低周反复荷载试验,探讨了节点的受力机理,建立了节点弯矩传递模型,提出了节点抗弯承载力计算公式与相应的设计建议.     

开孔形式影响装配式耗能支撑滞回性能研究

装配式H型钢腹板开孔耗能支撑是由腹板开孔H型钢和传力槽钢通过螺栓连接组成的新型耗能支撑,可有效避免支撑构件失稳。为了研究腹板开孔形状对这种支撑的耗能性能的影响,进行了装配式耗能支撑试件低周往复加载试验,并采用有限元软件进行了模拟计算。试验结果表明:装配式H型钢腹板开孔耗能支撑滞回曲线饱满,耗能能力强,变形能力好。在轴向荷载作用下,试件主要依靠开孔腹板孔间板件进入塑性变形耗能阶段,腹板开长圆孔的试件与腹板开椭圆孔的试件孔间板件端部为薄弱部位,腹板开菱形孔的试件孔间板件中间部位为薄弱部位,加载过程中这些部位首先进入塑性变形阶段并最先发生断裂。加载过程中螺栓与槽钢始终处于弹性变形状态。有限元分析表明:改变腹板宽度对于腹板开长圆孔的耗能支撑的承载能力与初始刚度影响最大,对于腹板开椭圆孔的耗能支撑影响最小;改变孔间板件宽度对于腹板开菱形孔的耗能支撑影响较小。改变腹板厚度对于三种腹板开孔形式耗能支撑的承载力与初始刚度影响相近。当试件主体过早失稳,可通过增大高宽比、减小腹板厚度或选用翼缘更大的槽钢来避免。耗能板件螺栓连接部位安全可靠,未见变形或破坏,布置螺栓时孔距不应超过4.5d₀。     

沉管隧道管节接头混凝土剪力键压剪破坏试验研究

接头是沉管隧道中最薄弱的一环,在受到地震和不均匀沉降等作用下,接头会发生横向变形,并通过接头中的剪力键传递。目前,国内外沉管隧道管节接头变形规律的研究较少集中在剪力键上,更缺少管节接头整体力学性能试验数据的支持。根据沉管隧道接头构造设计特点,该文提出了一套测试接头压剪承载力和破坏模式的破坏试验方法和加载方案,并开展了几何比尺为1：10的管节接头压剪试验,研究接头在低周往复剪切荷载下的力学性能,记录其荷载-位移曲线,最终获得接头压剪刚度曲线。试验结果表明,管节接头和单个剪力键的承载力分别是310 kN/355 kN（正/负向）和88 kN,均比设计承载力高。而接头剪力键的破坏模式主要表现为局部翘曲破坏和凸榫根部拉裂破坏。