殿堂式古建木构有限元分析与可靠度评估

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古建筑是我国重要的历史文化遗产,现存的大多数为木结构或内部大量使用木材的建筑体系,具体的结构形式有抬梁式和穿斗式两种。其中,殿堂式属于抬梁式中的一种,它大多为宫殿和寺庙,所以是研究历史文化的重要载体。由于大多建筑物年代久远,其内部结构已经存在大量的残损现象,因此研究殿堂式古建结构特点和受力机理,确定古建所用木材在数百年后的实际材料性能,对木结构进行分析和可靠度评估,对古木结构的性能保持具有重要意义。本文针对殿堂式古建主要做了以下三部分的工作:(1)基于古建木构中木材在长期外力作用下材料力学性能会发生变化的规律,给出了古建木构材料参数中重要参数如含水率、强度、弹性模量的确定方法,另外由于木材对温度敏感,温度变化下产生的热应力和热应变在结构长期监测中发挥重要作用,确定了相关系数-干缩系数和热膨胀系数的试验方法,并给出了两个不同地区热膨胀系数值的范围;(2)基于古木结构的结构形式,总结了殿堂式建筑的结构特点和受力机理,以一个典型的明代殿堂式结构北京法兴寺为工程背景,建立模型并进行有限元静力分析;接着对静力作用下的梁变形结构继续进行静力分析,对两种结果进行对比;然后分析了木材损伤的种类,并且选择有效截面的减小率为损伤变量,采用随机法和一致缺陷模态法对截面损伤模型进行有限元静力分析,同样也对两种计算方法的结果进行对比;最后对三种模型持续加载,计算了不同模型破坏的极限荷载。(3)基于截面特性时变模型与强度累积损伤理论,利用蒙特卡洛法,对构件进行可靠度评估,确定剩余寿命。与文献中的实例进行对比分析,验证该方法的可行性,然后通过两个不同算例,分别计算了不同条件下梁构件的具有一定可靠度的剩余寿命。
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