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《哈尔滨工业大学》 2011年
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应县木塔典型节点及结构受力性能研究

陈志勇  
【摘要】:应县木塔建于辽清宁二年(公元1056年),距今已有近千年历史,是我国现存最古老和最高的木构塔式建筑,也是唯一一座木结构楼阁式塔。木塔历经近千年沧桑,经受了多次强烈地震和人为破坏而巍然屹立,向世人展现着中国灿烂的文明。但也应看到,历经千年的木塔,其结构发生了明显压缩、倾斜与扭转变形,其中构件横纹承压破坏和受弯产生严重变形与损伤,木构件开裂和老化,尚有遭受炮击等人为损伤,且这些情况有随时间增长而恶化的趋势。木塔亟待进行结构安全评估和维修。然而应县木塔结构复杂,结构体系及其传力路径不甚明确、节点构造及传力机理不明晰。本文在全面结构调查的基础上,对木塔进行结构解读,开展其典型节点性能试验研究与有限元分析,并进行木塔整体结构精细化有限元分析,以对木塔结构的安全评估乃至维修加固提供重要依据。 基于现场调查结果,对应县木塔进行了结构体系分析。木塔为“层叠式半刚性连接多层超静定结构”。从结构角度对木塔斗栱、梁柱节点和柱脚节点进行了归类。用工程力学的观点,分析了古建筑木结构特有的“侧脚”和“生起”的结构作用。 通过竖向单调加载试验和水平低周循环加载试验,研究了应县木塔典型斗栱节点腜汀⒘褐诘愫椭沤诘隳P偷某性亓透斩取;谑匝榻峁拖嗨理论,估算了木塔典型斗栱原型、梁柱节点和柱脚节点原型的受力性能谑向荷载作用下,斗栱节点主要通过薓贰⒒獤怼龛省⑸⒍泛丸佣反莺稍兀其受力机理与木材横纹承压工作相似。在水平荷载作用下,斗栱节点主要以各道栱枋抗弯的形式传递荷载,其受力机理与木材受弯工作相似褐诘阒饕通过木柱卯口与阑额榫头间的横纹承压将水平荷载传至阑额上,使阑额受扭和横纹承压,并使木柱卯口处横纹受拉,普拍枋横纹承压。柱脚节点则主要通过木柱卯口与栱枋间的横纹承压将水平荷载传至栱枋上,使栱枋受弯和扭,并使木柱卯口处横纹受拉,栱枋和地栿横纹承压匝楸砻鳎窎斫诘恪⒘褐诘和柱脚节点抵抗水平荷载的性能皆随柱上竖向荷载的增大而提高。木柱经加固后节点抵抗水平荷载的性能亦皆有所提高。 针对木材各向异性的特点,建立了复杂应力状态下的本构关系模型,并结合ABAQUS编制了用户子程序VUMAT,模拟复杂受力情况下的木材力学性能。基于各节点的真实构造、所建立的木材本构关系模型和各构件间动摩擦接触关系模型,建立了的木塔典型斗栱节点、梁柱节点和柱脚节点的精细化有限元模型,并对这些节点的力学性能进行了计算分析,结果与试验吻合良好。在试验和计算分析的基础上,提出了斗栱在竖向荷载作用下的简化力学腜停确了传力路径。 基于ABAQUS建立了应县木塔整体结构无损和现状两种精细化有限元模型。通过动力特性分析,得到了木塔两种模型的自振频率和振型,其中现状模型的动力特性与文献实测结果吻合。通过对木塔整体结构有限元分析,分别研究了木塔在竖向(重力)荷载和水平(地震)荷载作用下的工作性能,明确了木塔竖向和水平方向的传力路径。经对木塔进行多遇地震作用下的有限元分析,得到了木塔的地震响应,并结合所提出的倾覆评判指标,对木塔的抗震安全进行了评估。对木塔的整体和局部倾斜、抗扭刚度低、明层抗侧移刚度低、局部抗侧移刚度低和节点横纹承压强度低等各薄弱环点进行了分析,提出了相应的加固增强设想。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TU366.2

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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7 记者 李晓玲;库木塔格沙漠景区成为国家级风景区[N];新华每日电讯;2002年
8 记者 钱宇红 池茂花 高风;木塔咋“矮”了[N];新华每日电讯;2000年
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中国硕士学位论文全文数据库 前7条
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