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《西安建筑科技大学》 2007年
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中国木结构古建筑的结构及其抗震性能研究

高大峰  
【摘要】: 本论文通过对中国古建筑之典型——大木作结构——之起源、演变与发展,以及其抗震机制与抗震加固方法与效果的系统研究,揭示其抗震减振之机理与基本观念。并探索科学合理的抗震加固方法,俾更好地保护现存文物古建筑,使之更久远地流传下去。 中国传统木作结构绵延赓续几近万年的历史,殆与中国文化中亲和自然与生命,注重其现世之实用价值的观念密切相关。 进行了柱模型拟静力试验研究,结果表明,在地震作用之下,木结构古建筑构件的受力与变形大抵处于弹性阶段,结构的抗震能力主要并不来自其构件本身的延性与耗能。 进行了榫卯节点之拟静力模型试验研究,基于榫卯节点的水平力滞回曲线,建立了相应的节点力矩-转角位移的恢复力模型,引入了量化其耗能减振能力的“非线性系数NL”并建立了相应的理论计算公式,并对四个榫卯节点模型的NL进行了计算,其值介于0.0011~0.0065之间,引入相应的“有效刚度K_B”的定义,并对实际的榫卯节点模型进行了检算,结果表明,在地震作用下,由于榫、卯之间相互挤压使得榫头与卯口发生严重的塑性变形,以至于榫、卯连接松动,其转动变形刚度产生退化,凸显出其“柔性”连接特征,这种节点柔性化的结果,最终导致整个结构的抗侧移刚度下降,从而有效地减小了地震对结构的破坏作用。 对斗栱结构所进行的静力与抗震性能的模型试验研究表明,在水平反复荷载作用下,其加载与卸载刚度均有退化,基于其在水平反复荷载作用下的滞回曲线,建立了相应的双线性恢复力模型,以及铺作层结构之隔震模型(实为隔振器),引入了表征其隔震与耗能特性的“非线性系数NL”,建立了相应的理论计算公式,同时对四个斗栱模型的NL进行了检算,其值介于0.235~0.392之间,为榫卯节点的2~3个数量级!从理论上证明了铺作层为木结构古建筑之主要减振与隔震作用之结构层,在正常使用阶段,其所承受的竖向荷载仅相当于其极限荷载的1/7左右,说明木结构古建筑之结构构件具有较大的强度储备。 按照宋《营造法式》的规制,制作了二等材宫殿建筑结构之当心间模型,并进行了相应的地震模拟振动台试验研究,继而,对其又采用钢片包箍节点的方法进行抗震加固,检测其在地震波作用下结构的动力响应,以评判其抗震加固的效果,结果表明,中国木结构古建筑在地震动中主要以隔震的方式抵御地震作用,而其隔震效能,通常是在Ⅶ度~Ⅷ度之地震烈度环境中才起作用,体量和重量巨大的屋盖结构,是维系整个结构在地震作用下完好统一的重要保证,节点加固后,结构的整体性与抗震能力均有了提高。 一种引入了虚拟三维半刚性节点单元的有限元方法被用来分析中国木结构古建筑的动力特性,结果表明,该方法是切实可行的。 总而言之,中国木结构古建筑结构是高度有机的、科学的,且独立于西方建筑而发展成熟的结构系统,其抗震理念主要表现为“以柔克刚,耗能减振与隔震”,是中华文化的有机组成部分,我们应该很好地科学地加以保护,使之更为久远的传承下去。
【学位授予单位】:西安建筑科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TU352.11;TU366.2

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