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应县木塔有限元模拟

常婧雅  
【摘要】: 山西应县木塔是中国现存的唯一木塔,也是世界上现存最高的木结构楼阁式佛塔,无论从结构、用材、美观上古代木结构建筑都拥有很高的技术含量和艺术价值。但是近一千年来,塔身木材性质发生变化,承载能力减弱,而且经受了多次强烈地震和炮击的影响,其结构已经严重变形,其残损变形情况已经达到了危胁其安全的程度,因此对应县木塔进行诊断和修缮已经成为迫不及待的事情。目前对应县木塔的试验测绘工作已经取得一定的成果,但是想要进一步深入的研究还需要现代计算机仿真模拟分析技术。利用有限元理论对木塔模型进行研究,不但可以减少试验对木结构建筑的破坏,也可以大大减少试验所带来的人力物力资源消耗。 本文对应县木塔的现状残损情况进行了研究,通过理论分析和有限元数值模拟方法,利用大型有限元软件MSC.PatranNastran对应县木塔的各项性能以及其修复加固方案进行数值计算,主要做了以下几方面工作: (1)总结应县木塔的研究现状,从应县木塔的材料特性、基本结构、变形残损情况进行分析和总结。 (2)建立应县木塔有限元模型,讨论不同结构部位网格处理方法。针对木塔动力学特性和修缮方式进行不同的模型处理。 (3)分析榫卯结构的力学特性,对榫卯连接部位建立便于分析计算的榫、卯有限元模型,利用MSC有限元分析软件得到数值计算结果与十字形试验结果模型相比对,采用响应面方法和优化迭代方法通过Matlab和C++语言编程得到榫、卯半刚性单元的参数值,进而对改进模型进行静力学分析。 (4)对应县木塔进行动力学分析,得到木塔前六阶频率和振型,并与实测结果比对符合良好。对木塔一层和整体结构进行地震分析,讨论应县木塔动力特性,分析表明木塔榫卯和斗拱层有很好的抗震隔震作用,并对应县木塔整体模型进行地震分析,得到木塔最易受损部位。 (5)针对应县木塔受损变形情况,对应县木塔结构变形,材料更换和加固维修问题进行有限元模型研究和初步探讨,对木塔的修复提出合理建议。计算结果符合预期设想,可为应县木塔的维护和修缮提供理论依据和数值计算数据,对现代结构抗震研究也具有借鉴意义。


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