穿斗式木结构抗震性能试验研究及地震易损性分析

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穿斗式木结构作为中国传统民居建筑的主要形式之一,至今仍以其灵巧轻盈的结构体系广泛应用于中国南方地区。然而,关于穿斗式木结构的抗震措施几乎没有相关规范标准提及,很大程度上依靠工匠的经验而定,造成了极大的安全隐患。目前国内外对穿斗式木结构体系的力学性能研究尚不充分,因此有必要对穿斗式木结构的抗震机理和薄弱环节等方面开展研究,以便科学评价其抗震性能。本文的主要研究内容及成果如下:(1)以川西地区传统穿斗式木结构民居中的典型榫卯节点为研究对象,按照1:1.33缩尺比例,设计制作了通榫、钩榫的枋柱节点试件。通过对枋端进行低周往复加载试验,观察了节点的破坏过程和破坏形态,获得了节点的弯矩-转角关系曲线。试验结果表明:通榫节点和钩榫节点均具有较强的变形能力,整个加载过程中,试件的变形和破坏主要发生在榫卯节点核心区,而木柱和穿枋基本完好;所有节点的弯矩-转角滞回曲线均呈反Z形,在平衡位置附近具有不同程度的“捏缩”效应,滑移明显。(2)采用ABAQUS有限元软件对穿斗式木结构中典型榫卯节点进行了非线性数值模拟分析,计算结果与试验结果吻合较好,同时获得了榫头与卯口的接触状态及应力分布规律。在此基础上,建立ABAQUS模型分析了摩擦系数、松动程度和木材材性对节点力学性能的影响,得到了各参数的影响规律。(3)基于试验和模拟结果,分析了典型榫卯节点的受力机理,在一定简化假定的基础上,根据物理关系、力学平衡和变形协调条件,推导了节点的弯矩-转角关系方程,将理论结果与试验结果进行对比分析,吻合程度较高。(4)设计并制作了1:2缩尺比例的三榀两跨两层穿斗式木结构房屋模型,依次对其输入相当于7度多遇、7度设防及7度罕遇烈度的地震波,观察试验过程中结构整体和细部的破坏形态,研究了模型结构的加速度、位移、地震剪力和应变等动力响应。同时,通过白噪声扫频得到了该模型的自振频率和阻尼比等动力特性。试验结果表明:模型结构在7度罕遇地震作用下依然没有发生倒塌现象,最大层间位移角为1/53,具有良好的变形能力和抗倒塌能力。(5)采用ANSYS有限元软件对该穿斗式木结构进行模态分析和动力弹塑性分析,将模拟得到的结构动力特性、加速度响应、位移响应、最大剪力分布和滞回曲线结果与试验结果进行对比。在验证模拟合理的基础上,结合我国抗震规范与震害资料,以及相关学者的研究成果,将木结构的性能水准划分为基本完好、轻微损坏、中等破坏、严重破坏和倒塌五档,并将其性能水准进行量化。采用峰值加速度作为地震动强度指标,采用最大层间位移角作为结构响应指标,选取22对地震波对穿斗式木结构进行了地震易损性分析,最终得出典型穿斗式木结构在7度多遇、7度设防及7度罕遇烈度下发生不同破坏状态的概率。
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