中国古代木构耗能减震机理与动力特性分析

【摘要】： 中国木结构古建筑是世界古代建筑中独树一帜的建筑体系,具有极高的历史、文物、艺术和科学价值。研究木结构古建筑的结构特性和抗震性能对保护和开发我国古建筑遗产具有重要意义。本文以抬梁式殿堂型木构建筑为例,通过构件拟静力试验和模型振动台试验,对其独特的结构形式、力学特性、工作机制和耗能机理进行了研究。 通过对按照《营造法式》制作的单铺作、两铺作协同工作、四铺作协同工作模型的低周反复荷载试验,可以看出铺作层主要以滑移变形为主。而摩擦滑移具有耗能隔震作用,这是古建筑木结构具有良好抗震性能的一个重要原因。铺作层的滞回曲线呈平行四边型。试验结果与理论分析相一致,滞回面积饱满,说明铺作层具有良好的耗能作用。铺作层的力学模型属于线性强化弹塑性模型。根据试验得出的恢复力模型反应了铺作层的恢复力特性及刚度变化规律,适应于同类木结构的静力传递和结构动力分析计算研究。 通过对按照《营造法式》制作的直榫和燕尾榫木构架模型及碳纤维布(CFRP)加固燕尾榫节点木构架模型的水平低周反复荷载试验研究,得到了透榫节点、燕尾榫节点及CFRP加固燕尾榫节点的滞回曲线、骨架曲线、节点半刚性连接特性和刚度退化规律及恢复力模型。木构架具有非常好的变形能力,透榫的连接强度和节点刚度比燕尾榫的大。破坏的燕尾榫节点经CFRP加固后的构架刚度比未加固燕尾榫构架大,但强度较未加固燕尾榫构架小。 对按照《营造法式》制作的古代殿堂式木结构建筑心间缩尺模型进行了模拟振动台试验研究。选用El Centro波、Taft波、兰州波作为输入地震动。测量了不同波形、不同地震激励作用下台面、柱脚、柱头、顶层木梁的位移、速度和加速度响应。对模型的破坏形态、自振周期、阻尼比、动力响应、能量耗散进行了分析。试验结果表明：模型的自振周期和阻尼比随着地震激励的增强而增大。自振周期T在0.48-0.67s之间,阻尼比ξ在2.9%-4.6%之间。模型的动力放大系数小于1,且随着地震激励的增强而减小。铺作层、柱础层都是通过摩擦滑移来耗能。柱架榫卯节点的耗能能力最强,在模型的耗能、减震中起着主要作用。 对宋代殿堂式木构建筑心间缩尺模型已残损的燕尾榫节点用碳纤维布(CFRP)进行加固,并进行了振动台试验。选用El Centro波、Taft波、兰州波作为输入地震动。采用多点多指标同步测量了柱脚、柱头、顶面的地震响应。对CFRP加固模型的破坏形态、动力特性、耗能能力进行了分析。得到以下结果：CFRP加固模型的自振周期T的变化范围为0.53-0.67s之间,阻尼比ξ的变化范围为2.8%-4.6%之间,随着地震激励的增加而增加；加固模型的动力放大系数β随着地震激励的增加而减小,中震后β值小于1；CFRP加固模型的铺作层、柱础层都是通过摩擦滑移来耗能,CFRP加固节点柱架层的耗能能力最强,在模型整体的耗能、减震中起着主要作用。