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中国木结构古建筑屋盖梁架体系力学性能研究

张风亮  
【摘要】:中国古建筑木结构是世界建筑的经典之作,有着非常高的历史和科学价值。而作为古建筑木结构中最重要的一部分,屋盖梁架体系以其独特的结构形式而具有良好的结构受力性能。本文主要建立殿堂型屋盖梁架Ansys有限元模型,通过试验研究和数值分析对木结构屋盖梁架体系的结构特性和静、动力特性进行了研究。 结合古建筑木结构屋盖梁架体系特点以及其在木结构古建筑物中所起的作用,简单的介绍了古建筑木结构屋盖梁架体系的各种构造形式以及其传力机制;根据《营造法式》的构造要求以及课题组的研究成果,对模型的各动力参数以及构件的“材份制”尺寸进行了简单的计算;选用El Centro波、Taft波、兰州波三种地震波,对屋盖梁架体系在各种工况下进行了水平和竖向的动力分析、水平地震作用下的抗倾覆力分析以及加速度反应谱分析;同时,还对屋盖梁架体系进行了静力分析。 通过对屋盖梁架体系进行静力分析,得出了屋面层在自重及水平风荷载作用下的应力分布图,梁架在自重以及水平风荷载下的内力图,分析总结每层梁栿的两边段所受剪力相对都很大,成为屋盖梁架体系在竖向静力荷载作用下的关键构件;八椽栿的两边段所受剪力、弯矩相对很大,童柱以及檩条上所受轴力相对很大,成为屋盖梁架体系在水平风荷载作用下的关键构件。 通过对屋盖梁架体系的动力分析,屋盖梁架模型的自振频率远远高于振动台试验结构模型的自振频率,说明屋盖梁架模型的刚度要远远高于振动台试验结构模型的刚度;随着地震作用的不断增加,屋盖模型各梁架层最大位移值和加速度峰值随之增大;同种工况下,各梁架层随着屋盖高度的增加,位移呈增大趋势,加速度峰值基本上呈越来越小的趋势;大震(400gal)时半刚性榫卯连接的减震效果比中震(220gal)、小震(110gal)时的减震效果要好;随着地震作用的增强,半刚性榫卯节点的减震隔震效果逐渐增强;屋盖梁架体系各梁架层的层间动力放大系数值在1左右,屋盖层与铺作层的动力放大系数在0.9左右;在水平地震作用下,屋盖梁架体系不会发生倾覆。八椽栿的两边段、底层檩条成为屋盖梁架体系在水平地震作用下的关键构件;童柱的两侧和六椽栿的跨中以及八椽栿层的童柱是屋盖梁架体系在竖向地震作用下的关键构件。通过谱分析计算结果显示,模型地震分析采用地震波非常合理,符合规范要求。 通过科学的理论分析和研究,使得我们更加细致的了解了古建筑屋盖梁架体系的力学性能,不仅为今后古建筑木结构的进一步研究提供了科学依据,也为古建筑的修缮加固提供了理论参考。


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