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。     

残损古建筑木结构的地震易损性分析

为评估残损古建筑木结构的抗震性能,基于完好（不考虑榫卯节点松动）古建筑木结构模拟振动台试验,获得了完好结构的破坏特征、模态参数、动力响应曲线等。采用OpenSees有限元程序建立了完好和考虑节点松动的残损结构的精细化计算模型,对比分析了完好计算模型和试验模型的模态参数和动力响应曲线。以地面峰值加速度（PGA）和最大层间位移角作为地震动强度指标和反应参数对残损模型进行增量动力分析（IDA）,通过对各模型进行地震概率需求分析研究了残损模型的地震易损性。结果表明：完好计算模型与试验模型的主要模态参数相差小于10%,柱脚和柱顶动力时程响应曲线基本一致,表明了计算模型分析的合理性和正确性;残损模型回归概率地震需求函数的决定系数介于0.83578～0.85761,较接近1,表明线性回归函数与数据点具有较高的相关度;当古建筑木结构的节点残损程度达到13.3%时,残损结构已不满足现有规范对结构抗震设防的要求,必须立即对其进行加固和修复。     

古建木结构榫卯连接特性的试验研究

通过对典型榫卯连接的力学分析和模型低周反复荷载试验,研究了榫卯的半刚性连接特性和刚度退化的规律。试验得到榫卯连接的弯矩-转角滞回曲线和骨架曲线,并拟合出了榫卯节点恢复力模型。将榫卯连接比拟为变刚度杆单元,理论推导了变刚度和相对柔度之间的关系。结果表明,木结构的榫卯连接刚度随荷载变化而呈非线性变化,刚度在0.3062~23.6054之间变化。研究结果可为木结构古建筑的抗震性能研究和修缮加固提供理论基础。     

钢结构梁柱连接节点刚度的半解析测试方法

通过半解析测试方法获取钢结构梁柱连接节点的半刚性特性。在半刚性节点理论分析的基础上,导出了包含节点连接刚度的计算模型;然后通过结合已知的梁端实测荷载和位移试验值,给出了一种有效的求解节点刚度的半解析测试方法。该方法可以克服试验中直接测量节点转角的困难和精度误差,而且与有限元分析结果相比,其计算结果更符合实际真实解。数值算例结果表明,采用该文提供的半解析测试方法获取钢结构梁柱半刚性连接节点M-θ曲线是简单、有效和准确的。     

地震荷载下双腹板-顶底角钢连接半刚接钢框架的动力特性研究

利用大型有限元分析软件ANSYS对双腹板、顶底角钢半刚性连接的钢框架进行了三维弹塑性动力有限元分析。该分析采用了有限元实体建模,考虑了钢框架连接节点的非线性、几何非线性以及材料非线性等因素。通过有限元数值模拟分析得出了在地震荷载作用下,半刚性节点刚度的变化对钢框架的基本自振周期、楼层剪力、楼层位移、楼层加速度和节点的弯矩-转角关系的影响规律,并将部分数值模拟分析结果与拟动力试验结果进行对比,发现这两种研究方法所得结果基本一致。通过该文的分析,得出了节点刚度的变化对结构动力特性影响的一般规律,为今后高层钢结构设计和钢结构规范的修改提供了一定的理论依据。     

西安东门城楼结构有限元分析

本文通过对中国古代木结构的结构特性分析,得出了合理的力学模,采用变刚度单元模拟真实本结构梁柱的榫卯连,用虚拟单元的不同刚度条件反映真实的半刚性连接,将变刚度单元加入有限元程度,对西安东门城楼进行了弹性有元分析,得出了不同刚度系数下的力学性能,为古建筑木结构研究提供有用的资料。     

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。     

木结构古塔的动力特性分析

研究木结构古建筑的力学特性对保护和开发我国古建筑遗产具有重要意义。以山西北部释迦塔为研究对象,用有限元数值方法,通过引入梁单元组模拟斗拱连接,建立了具有木塔较细致结构的有限元计算模型,并通过木塔的实测模态结果方便地确定了斗拱这种复杂连接的刚度。对木塔进行了地震作用计算,计算结果与木塔现实残损变形集中在第二三层的现象一致。计算结果可为古塔的维护和修缮提供理论依据。     

钢框架端板连接半刚性节点受力性能分析

为研究不同构造对钢框架端板连接半刚性节点受力性能的影响,采用通用有限元软件ABAQUS建立非线性有限元模型,对单元选取,螺栓受力行为、材料本构以及接触模型等方面进行详细说明;结合国内外已有的钢框架端板连接半刚性节点拟静力试验,对比分析有限元分析和试验结果,深入探讨了钢框架端板连接半刚性节点的受力性能。试验和有限元分析结...     

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.     

半刚性基层沥青路面反射裂缝扩展过程分析的Williams单元

该文对半刚性基层沥青路面结构采用弹性层状体系平面应变分析模型,利用改进的Williams级数,结合广义参数有限元法和常规等参元,建立了反射裂缝裂尖应力强度因子分析的广义参数Williams单元,并推导了Williams单元的刚度方程,据此研究了正对称荷载和偏载分别作用时,反射裂缝扩展过程中应力强度因子的变化规律;重点分析了偏载作用下路面结构层参数与应力强度因子之间的关系。Williams单元中含有与应力强度因子相关的参数,可以直接获得裂尖应力强度因子。算例分析表明：Williams单元与传统方法的计算结果吻合较好,且格式简单,计算精度高,适用于沥青路面反射裂缝扩展过程分析。     

不等尺寸双层混凝土路面结构力学模型研究

将刚性或半刚性基层上水泥混凝土路面简化处理为弹性地基上不等平面尺寸双层结构模型,面层、基层层间接触采用二元弹簧来模拟水平向从光滑到连续,竖向从连续到分离的情形。进而,通过一些算例,讨论了有限元解的收敛性和单元划分,实体与薄板两种单元的适用性,基层超宽效应和邻板影响,以及半无限弹性体和Winkler两种地基类型的差异。结果表明:实体单元较薄板单元更适用于混凝土路面结构应力分析;基层超宽可降低面层应力0%―22%,但增大了基层自身应力;接缝设传力杆、拉杆可有效降低板底脱空程度;采用不等平面尺寸双层结构模型,由弯沉反算的地基模量k在不同荷位均较为一致。     

半刚性连接钢框架二阶弹塑性稳定分析的QR法

基于QR法研究半刚性连接钢框架的稳定性,采用梁两端附带零长度转动弹簧的通用半刚性连接梁单元,通过转动弹簧和Kishi-Chen三参数模型来模拟梁柱半刚性连接的非线性力学性能,考虑二阶效应的影响,采用塑性铰模型及修正的Newton-Raphson迭代法,建立了平面钢框架二阶弹塑性稳定分析的QR法计算格式和步骤,并设计了相应的C++源程序,最后通过典型算例分析了半刚性连接钢框架的稳定性能,表明了该算法的优越性。     

半刚性钢框架实用非线性分析

介绍了在钢框架分析中考虑连接柔性的方法以及常用的连接M–θr模型,建立了能够同时考虑几何、材料和连接非线性的精细塑性铰法三维梁柱单元。单元采用稳定函数考虑二阶效应和剪切变形,采用切线模量和抛物线函数考虑沿单元长度和截面的逐渐屈服,采用Kishi-Chen幂函数模型和修正梁单元方法模拟半刚性连接的非线性行为。利用ANSYS软件的用户可编程特性(UPFs)编写了单元程序,并将用户单元添加至ANSYS软件单元库中。半刚性框架算例分析表明:用户单元分析的荷载-位移曲线与试验结果吻合较好,与采用COMBIN 39单元模拟连接所分析的结果非常接近。     

顶底角钢连接半刚性钢结构抗震性能数值分析

为了研究顶底角钢连接半刚性钢结构的抗震性能,介绍相关文献中角钢的屈服荷载及初始刚度的计算,基于角钢的拉压试验结果,验证角钢的屈服荷载及初始刚度计算方法的准确性并对角钢的屈服荷载计算公式进行修正,进而提出角钢在反复拉压荷载下的恢复力模型;编制角钢连接单元,提出基于有限元软件OpenSEES的顶底角钢连接半刚性钢结构的建模方法,对顶底角钢连接半刚性钢结构低周往复试验、振动台试验进行数值模拟,所得结果与试验结果进行比较,结果表明:该文提出的建模方法具有单元少、自由度少、建模方便、计算效率高、耗时少等优点,采用该文方法进行的数值模拟与试验结果吻合较好,精度能满足工程需求。     

强震下弦支穹顶结构的动力性状精细化研究

为了探索强震下材料损伤累积、节点半刚性及节点刚域对弦支穹顶结构动力性能的影响,通过对承受轴力和弯矩共同作用的焊接球节点的有限元分析,得到考虑材料损伤累积的焊接球节点M-θ曲线,建立考虑材料损伤累积的半刚性节点、节点刚域模型,然后对5个分别考虑节点半刚性、节点刚域及材料损伤累积的弦支穹顶模型进行对比分析。结果表明:考虑材料损伤累积、节点半刚性使结构塑性发展充分,结构刚度更趋向均匀,会引起结构破坏位置、失效模式及结构延性的转变。考虑材料损伤累积、节点半刚性及节点刚域等对弦支穹顶的动力性能有较大的影响。     

钢框架内填钢筋混凝土剪力墙混合结构破坏机理及塑性分析

对一榀1/3比例的半刚性钢框架内填钢筋混凝土剪力墙混合结构试验模型实旅了循环加载试验,在此基础上对结构的破坏机理进行了分析;提出了基于塑性理论的侧向极限荷载的简化计算方法,其中考虑了钢框架与剪力墙的相互作用、半刚性节点、组合栓钉及斜向压杆力的影响;利用ANSYS建立了非线性有限元模型：通过试验值、塑性理论值及有限元值的...     

基于测试频响函数的结构连接参数识别方法

构造了半刚性结构连接单元，并应用于结构连接参数识别的模型中。利用子结构法建立的组合结构有限元模型和不完备的组合结构的测试频响函数，导出了连接子结构参数识别方法。提出了基于子矩阵因子法求解变量系数矩阵的通用方法。并将参数识别归结为求解非线性最小二乘问题，应用信赖域法克服了最小二乘求解初值选取范围过小的问题。最后利用仿真算例对上述方法进行了验证，结果表明该方法可行且具有一定的实用性。     

考虑螺栓球节点半刚性的网格结构有限元模型修正研究

为获取用于螺栓球节点网格结构健康监测准确有限元模型,用具有刚度可调节点单元描述节点半刚性;采用神经网络技术,利用有限测点模态信息构造网络输入参数CPFM,提出对螺栓球节点单元刚度折减系数进行分步修正新方法。以单层柱面网壳振动台试验模型为例,在螺栓球节点精细化模型基础上,基于实测模态数据对其进行有限元模型修正。结果表明,修正后有限元模型能较好反映该网壳结构的真实动力特性,采用分步修正算法能精简神经网络结构,可有效用于螺栓球节点网格结构有限元模型修正,具有一定实用价值。