古建筑木结构透榫节点多尺度建模方法及抗震性能分析

【摘要】：中国古建筑驰名中外,一般以木结构居多。受长期自然环境腐蚀、人为损伤和地质灾害的影响,大部分古建筑具有不同程度的损伤;榫卯节点是木结构重要构件,其受力复杂、易损坏;同时我国是地震多发国家,众多古建筑都处在地震高烈度区内。因此对古建筑木结构榫卯节点抗震性能分析具有重要意义。近年来,有限元仿真分析在各个领域得到快速发展,但仿真分析对榫卯、斗拱等受力复杂、易损坏的结构难以处理,传统方法采用弹簧单元进行模拟存在刚度取值困难、难以观测结构微观行为等缺陷。因此,在古建筑木结构仿真分析中急需对此类结构寻找合适的处理方法,而多尺度建模方法对关键节点采用实体建模,合理设置木材的各向异性及非线性特性,能够观测结构内部的微观行为,可较好的弥补传统方法的缺陷。本文以古建筑木结构透榫节点为例,首先采用实体单元建立透榫节点,通过拟静力试验的仿真模拟,研究其抗震性能;其次采用多尺度建模方法,将透榫节点扩展成框架模型,通过地震波加载的仿真模拟,探讨多尺度建模方法应用在古建筑木结构抗震分析中的适用性及优越性。本文主要工作和取得的成果如下:(1)探讨多尺度建模思路在古建筑木结构中的具体应用,首先将木结构进行合适的尺度分离:对榫卯节点采用实体单元建立模型,对梁、柱构件采用杆系单元建立模型;其次对木结构不同构件建立不同的本构模型:对榫卯节点考虑弹塑性,对梁、柱构件只考虑弹性;最后探讨多尺度连接方法,其中多点约束方程法及MPC绑定接触法适合木结构多尺度连接。(2)对古建筑木结构透榫节点抗震性能开展研究。采用ANSYS有限元软件,建立透榫节点精细化模型,按照位移控制原则,对其进行低周往复荷载模拟。得到如下结论:应力集中现象主要出现在榫头与卯口挤压处;变幅加载制度下透榫节点耗能能力较好,滞回曲线较为饱满,骨架曲线极限转角约为0.13rad;等效黏滞阻尼系数峰值为0.5左右,节点刚度退化超过60%。(3)引入多尺度建模思路,将透榫节点模型扩展为多尺度框架模型。同时按照杆系单元建模方法建立同尺寸框架模型作对比,加载相同地震波工况来评价不同建模方式在古建筑木结构领域进行抗震分析的优劣,得到结论:多尺度模型计算时间约为杆系模型的4.2倍,其动力响应峰值略小于杆系模型;其次多尺度模型在观测结构内部微观行为及定量计算节点脱榫量等方面具有优越性。