典型明清官式古建筑木结构整体抗震性能研究

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明清官式古建筑木结构是现存最多的明清古建筑实物,代表了这一时期我国古建筑木结构的发展水平,具有重要的历史价值、科学价值与研究意义。为深入研究该类型结构的整体抗震性能以及评估其结构状态,并为后续采取相应的加固措施提供参考依据,本文以典型明清官式古建筑木结构——单檐庑殿式结构为研究对象,基于单檐歇山式模型振动台试验验证的合理有限元建模方法,建立其整体数值模型,引入耐震时程法对结构进行动力分析,研究其抗震响应;进一步完成多条地震波下结构的能量转化分析;最后提出结构基于能量的抗震性能指标。主要研究与成果如下:(1)进行了典型明清官式古建筑木结构有限元模型的计算分析,并与现场动测结果进行对比,验证了该模型的可靠性。建立与该模型屋盖重量相同的单檐歇山顶与混凝土板顶模型,并对三者进行相同强度的多条地震动加载,对比分析了动力响应。结果表明,在相同质量下,屋架刚度对明清官式古建筑木结构整体抗震性能的影响不大;混凝土板顶模型的加速度与位移响应均介于庑殿顶与歇山顶之间且相差不大,说明在研究中采用混凝土板代替屋盖是可行的。(2)引入耐震时程分析方法(ETM)对官式古建筑木结构的整体抗震性能进行研究,基于抗震设计规范反应谱在MATLAB中编程生成5条耐震时程曲线加载到模型上,得到结构各个部位的动力响应,并与多条地震波加载的结果进行对比,结果表明柱架榫卯是官式木构中减震作用最好的构造,且耐震时程法可以用于古建筑木结构的抗震性能研究,能有效提高运算效率,且能很好地反映结构的动力特性。(3)从能量角度对明清官式古建筑木结构的抗震性能进行深入研究,分析结构在耐震时程曲线作用下的能量转化与耗散机制,结果表明,当地震能量输入古建筑木结构后,一部分能量以弹性应变能、动能以及结构抬升时的重力势能储存起来,对结构起缓冲作用,另一部分能量通过结构塑性变形与阻尼的形式耗散掉,且随着地震输入强度的增大,塑性耗能开始增大且迅速增加,结构模型储存的重力势能也增大,且占比大于其他转换能量。(4)在地震作用下古建筑木结构的塑性变形主要发生在柱架层的榫卯连接处,说明柱架层是结构的薄弱层。采用耐震时程以及多条一般性地震波,对典型明清官式古建筑木结构模型进行动力加载,将柱架层的滞回耗能与破坏时结构整体的累积塑性耗能比值作为官式古建筑木结构状态的评价指标,参考之前学者提出的性能水准,提出针对明清官式古建木构基于能量的性能水准指标。图243幅,表19个,参考文献135篇。
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