古建筑木结构关键节点及构架受力性能研究

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古代建筑是传统文化的重要载体,但其年代久远,历经环境荷载作用以及人为破坏的影响,伴随着木材的疲劳腐蚀和材料老化现象,木材、节点和构件的损伤变形增加,结构承载力变弱,结构的可靠性和稳定性降低。为了修复和保护具有传统文化和历史价值的古建筑木结构,需对其受力性能进行系统深入的研究。节点作为结构体系的薄弱环节,对整个结构的强度、刚度及延性都具有重要的影响作用。因此,对关键节点进行受力性能分析,建立适用于结构分析的简化模型,是准确分析结构整体受力性能和结构状态评估的前提。本文主要针对柱脚节点和透榫节点的受力性能开展研究,划分了柱脚节点和透榫节点的工作状态,给出了工作状态的判定条件。建立了全工作状态下,柱脚剩余弯矩、转动弯矩以及木柱抗侧力与几何、材料和荷载参数之间的力学模型和考虑缝隙及不对称性的松动透榫节点转动弯矩理论模型。通过足尺试验和数值模拟,验证了理论模型的正确性,研究了水平反复荷载作用下柱脚和榫卯节点的变形特征和应力状态,并对节点受力性能进行了参数分析,提出了参数影响因子的计算方法,进行了参数灵敏度分析,得到了影响柱脚受力性能的最敏感参数是竖向荷载,榫卯节点的最敏感参数是榫高。基于理论模型、数值模拟和足尺试验,提出了包括节点特征状态和极限状态的平摆浮搁柱脚节点和松动透榫节点的等效有限元模型,为古建筑木结构整体模型的建立提供了坚实的技术储备。应用能反映节点运动机理和受力性能的转动弹簧单元和代表梁(枋)、柱的杆单元,建立了一榀构架杆系单元模型,提高了计算效率。通过一榀构架实体单元模型验证了杆系模型的正确性,分析了一榀构架的抗侧能力和极限状态,刚接、铰接和半刚接节点对构架受力性能的影响,以及柱脚和榫卯节点对整体构架总弯矩的贡献。研究成果可为古建筑木结构整体受力性能分析、结构状态评估和保护修缮等提供良好的计算依据。图126幅,表15个,参考文献119篇。
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