节点损伤单向直榫木构架的抗震性能研究

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古建筑木结构是古代先人们遗留给后世的富有其时代文化特征的珍贵资源,具有极高的社会与历史价值。古建筑木结构历经了千年沧桑岁月,见证了中华时代变迁,难以避免得会发生材料老化与结构腐朽,累积损伤与变形,并且此种情况会随时间的延续而逐渐恶化,故而对古建筑木结构进行研究与保护具有重要意义。两柱一枋组成的木构架在古建筑木结构中起到重要的受力与传力作用,其上承屋顶与铺作荷载,下与地基相接,榫卯节点耗能减震,柱脚节点滑移隔振,而榫卯节点和柱脚节点的损伤会导致结构受力抗震性能下降,结构发生倾斜甚至倒塌。因此,研究木构架在榫卯节点及柱脚节点不同程度损伤情况下抗震性能的变化,对现存古建筑木结构的鉴定评估和维护加固工作意义重大。本文以单向直榫木构架为研究对象,通过模型试验和数值模拟,对其抗震性能进行了研究,并分析了木构架在榫头及柱脚不同损伤下抗震性能的变化,主要内容如下:(1)分析了木材的特征物理力学性能并介绍了本文所采用的相关且有效的测试方法,对古建筑木结构常用的榫卯连接类型进行了总结,对单向直榫木构架的榫卯节点及柱脚节点的受力机理进行分析,并对单向直榫木构架在正向加载阶段的骨架曲线进行理论推导。(2)为研究常见的榫卯节点及柱脚节点的腐朽损伤对单向直榫木构架抗震性能的影响,本文采用人工损伤模拟方法,在考虑榫头损伤程度及表面损伤程度的不同的情况下,制作了三种不同腐朽损伤的榫头和一种柱脚腐朽损伤共4个损伤木构架,此外,还制作了无损木构架模型和柱脚损伤修复加固木构架,后者在柱脚损伤木构架的基础上填补缺失部分并将两者箍在一起。对此6个按照宋《营造法式》制作的缩尺比例为1:3.52的单向直榫木构架模型进行了水平低周反复加载试验,对比分析了木构架榫卯节点及柱脚节点处边缘点应变变化特点,木构架滞回特性、刚度退化和耗能能力等抗震性能的变化规律。(3)使用有限元分析软件ABAQUS对上述6个不同类型的单向直榫木构架进行有限元模拟分析,采用对榫头划分损伤区并根据相关依据和等效损伤材性试验结果对损伤区木材进行材性折减的方式来模拟榫头和柱脚的实际人工损伤。从木构架榫卯节点及柱脚节点在低周反复荷载作用下的变形、Mises应力和等效塑性应变PEEQ的分布以及滞回曲线和试验模拟骨架曲线对比等三个大方面验证了单向直榫木构架的受力机理和可能出现的破坏形态。结果表明,在ABAQUS中建立的有限元模型经加载模拟分析,其呈现出的现象与模型试验符合度较好,证明了有限元模拟的合理性。
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