交通激励下古建筑木结构的动力响应与疲劳研究

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中国古建筑具有独特的历史价值与艺术价值,近些年来随着交通基础设施的大量修建,交通激励产生的地面微振动对建筑结构的危害也日益严重,这种地面微振动激励虽不如地震激励那样强烈,但由于长期反复作用于结构,当结构产生的动应力较大时,就可能会引起结构的疲劳破坏。因此,研究古建筑木结构在交通激励下的动力响应规律以及振动疲劳影响对于现存古建筑的减震隔震与安全评估具有重要的意义。本文基于国内外关于交通激励对建筑结构的影响及结构振动疲劳问题的研究现状,以西安钟楼为例,首先对微振动下钟楼结构的动力响应模型和响应规律进行了研究,其次探讨了各种路况下道路交通对西安钟楼的动力响应结果并进行了安全评估,最后利用幅值概率密度法对钟楼结构进行了一个随机振动激励下的疲劳寿命估算并进行了分析。通过振动台试验与有限元分析发现,在微振动激励作用下,古建筑木结构各层的响应呈现逐渐增加的趋势,放大了地面传来的微振动;结构位移响应基本呈倒三角形分布,表现为剪切变形。建立加入高台基与地基土的钟楼三维整体有限元模型,分析环形车道荷载对结构的振动响应,得到了地面振动的传播衰减规律,以及单双线行驶、不同车速、不同车辆排布方式下的最不利工况,最后根据相关规范对此工况下的动力响应进行了安全评估。本文将一段时程加速度曲线转化为加速度功率密度谱,并在钟楼有限元模型中柱底约束输入,得到结构的应力响应云图,发现钟楼结构下部应力反应比二层更大,且梁柱节点处应力比梁跨中应力大,应力最大点出现在角部梁柱节点的梁端处,最后根据古建筑木材的疲劳特性,利用幅值概率密度法并结合线性损伤累计理论估算了危险点处振动疲劳寿命。
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