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《西安建筑科技大学》 2003年
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中国古代木构建筑结构及其抗震发展研究

张鹏程  
【摘要】: 本文经过详实的历史、考古资料整理分析,结合对我国现存重要古建筑实地调查、测量,通过一系列模型试验,系统研究分析了中国古代木结构建筑这一独特体系的结构方法、历史演进过程,抗震机理及抗震效果。 通过对山西五台县佛光寺、蓟县独乐寺、应县木塔、正定龙兴寺、故宫、以及西安钟楼、鼓楼、陕西岐山周原遗址等多处典型古建筑结构进行实地考察测量,结合宋代《营造法式》、《清式营造则》、《营造算例》、《中国古代建筑技术史》等重要古建筑文献资料,尤其以集我国古代建筑技术之大成的宋代《营造法式》为研究重点,对古建木结构的形成历史、发展演化过程、基本结构原理、结构形制、构造方法、结构功能意图等进行了切实深入的研究。 依照宋代《营造法式》建造了抬梁式殿堂木结构构件及结构模型,对中国古代木结构中的典型构造如:柱脚在础石顶面平搁简支、柱架榫卯连接、柱高不越间之广、侧脚、生起、斗拱等的构造机理及结构功能进行了量化分析和实验研究: (一)通过木柱石础静摩擦试验,测定了柱脚与石础古镜面间的摩擦系数及摩擦力随上部结构荷载变化的规律; (二)通过单柱承载力试验,测定了古建筑中木柱的受力变形特征、破坏模式、及模型材料的变形模量、极限承载力、极限变形等参量; (三)通过柱架低周反复荷载试验,测定了柱架的抗侧移刚度、柱架恢复力特性及滞回曲线、榫卯张角刚度及其变化规律、柱架及榫卯的极限承载力和极限变形、及榫卯减振参数; (四)通过斗栱低周反复荷载试验和受压试验,测定了古建筑木构件与木构件间摩擦系数,斗栱抗侧移刚度,斗栱恢复力特性及滞回曲线,斗栱抗压极限承载力及受力变形规律; (五)通过抬梁式殿堂间架模型振动台试验,测定了殿堂木构架结构自振周期,地震反应振形、阻尼特性及阻尼比;按结构分层特点对柱脚、柱头和斗栱层上的屋盖的地震反应采用多点同步测量,对柱根滑移、榫卯变形、斗栱的变形、复位、耗能减振参数等进行了定量分析。 以实验为依据,结合对古建木结构构造特点的综合分析得出了:柱脚平搁简支是重要的 西安建筑科技大学博士学位论文 隔震减振措施,因此础石顶面必须尽量消里u水平光滑;“柱高不越间之广”是结构整体拥顷覆 稳定的构造条件;“侧脚”是推卯自动挤紧,柱架稳定和弹性复位的必要构造,同时也是重要 减振机来;“生起”衡南作及梁架处于上凹的支承面上,自重产生的内聚趋势使屋盖构件连接 更紧密,增强了屋盖刚块的整体性,并当地震等作用使屋盖偏离中心稳定平衡位置后可以自 动复位;斗拱是胜sg$jI4g的弹性叠合垫梁铰支座,具有隔震、消振、机械agK换功能;由于 木材与木材问摩擦系数会大于木柱与础石之间摩擦系数,屋顶重量须在结构总重中占有绝对 较大比例;多层、高层木结构的建造是基于小高宽比层块分层叠置原理,由下往上层层隔震 消振,二层以上地震反应很小等结论。 论文系统阐述了中国古代木构建筑柔性抗震的结构体系和方法,分析揭示了古建筑木结 构受力机理、振动反应模式和破坏模式,确定了结构计算简图,振动模型,并结合试验结果 进行了殿堂结构地震反应分析方法探讨,给出了适用于古建殿堂木结构的抗震分析方法及结 构动力方程。并提出了针对具体情况对古建筑文物进行维护、修复、加固的方法。这些研究 对现存木结构古建筑的结构u、抗震鉴定、抗震加固具有实际意义。所揭示的我国古建木 结构中早己使用的独特的抗震方法对现代建筑结构抗震研究具有重要参考价值。
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