藏式古建木构梁柱连接力学性能试验研究及有限元分析
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摘要
藏式古建筑的历史意义、宗教意义、艺术价值一直是世人关注的热点。不少藏式建筑建造年代久远,其内部结构已经存在大量的残损现象,对古建筑进行结构性能的评估以采取合理保护措施显得尤为重要,而节点性能的研究是认识结构力学行为的基础和关键。目前,国内外针对藏式建筑的研究主要集中在其建筑风格、装饰艺术及宗教意义方面,对其结构性能的分析较少。
本文以典型藏式古建木构梁柱连接为研究对象,对其静力性能进行试验研究和数值模拟,结合试验与数值的结果获得竖向荷载作用下节点的传力机理,建立了梁柱节点弯矩-转角曲线模型,总结了相关因素的影响规律；此外,进行了节点滞回性能的数值模拟,对其动力性能做了初步探究。主要包括以下几方面的内容：
首先,在现场勘察的基础上,对藏式古建筑的结构形式进行了阐述,重点介绍了木构架的构造和做法,确定了本文的研究对象,从结构角度出发对研究对象进行荷载和约束的简化,从而建立了对应的分析模型。
其次,以分析模型为依据设计了两组静力试验,第一组试验分析梁柱连接在竖向荷载作用下的传力机理及破坏模式,第二组试验分析梁柱连接的转动性能。以静力试验为基础,进行对应的数值模拟,结合试验与有限元分析结果确定了组成节点的各个组件的受力状态,节点的传力机理及破坏模式,并且建立了节点的弯矩-转角曲线模型,分析了弓木长度、暗销位置对于节点转动刚度的影响,及反复荷载作用下节点刚度退化规律。
再次,进行梁柱连接滞回性能数值模拟,分析了节点在反复位移荷载作用下的受力状态,建立了滞回曲线,骨架曲线,恢复力模型,并进行刚度退化分析及能量耗散能力分析,将有限元分析结果与已有的汉式古建木构节点的拟动力试验结果进行比较,参照试验结果对恢复力模型进行了修正。
图113幅,表22个,参考文献54篇。
ABSTRACT: The historical significance, religious significance and artistic value of ancient Tibetan architecture have always been the focuses of world attention. Many Tibetan buildings were built long years ago, so there are already a large number of damaged phenomenon in the internal structure. Under this premise, it is particularly important to analysis structural properties of ancient buildings in order to take reasonable protective measures. And the performance of the joint is the basis and key for understanding mechanical behavior of the whole structure. The recently study is mainly focused on the architectural style, decorative arts and religious meaning. At the same time the study on analysis of the structural performance is few.
In this paper, a typical beam-column connection is taken as the research object. Static test and corresponding numerical simulation are carried out to analysis the static properties of the connection. Combining test results and numerical results, moment-rotation curve model of joint is extracted, influence law of related factors and transfer mechanism cf the connection are summed up. In addition, hysteretic behavior is simulated. The main contents include the following aspects:
Firstly, based on the on-the-spot investigation structural form of ancient Tibetan architecture is described. Composition and practices of timber frame are focused on and the object of study in this paper is determined. The loading and constraints of structural prototype are simplified to establish corresponding analysis models.
Secondly, two groups of static test are carried out based on analysis models. Transfer mechanism and failure modes under vertical load of beam-column connection are analyzed in the first group test. Rotational behavior of the joints is analyzed in the second group test. Taking static tests as the basis, the corresponding numerical simulation is carried out. Combining the results of the two aspects, stress states of composition are explained and M-θmodel is obtained. The effect of Gongmu's length, dowel's position to initial rotational stiffness is studied. Stiffness degradation rule under cyclic loading is obtained.
Thirdly, hysteretic behavior is simulated. Stress states, hysteretic curve, skeleton curve, restoring force model of joint are obtained. Stiffness degradation rule and energy dissipation are analyzed. The results of numerical simulation are compared with existing pseudo-dynamic test. 113 diagrams,22 charts,54 references
本文以典型藏式古建木构梁柱连接为研究对象,对其静力性能进行试验研究和数值模拟,结合试验与数值的结果获得竖向荷载作用下节点的传力机理,建立了梁柱节点弯矩-转角曲线模型,总结了相关因素的影响规律；此外,进行了节点滞回性能的数值模拟,对其动力性能做了初步探究。主要包括以下几方面的内容：
首先,在现场勘察的基础上,对藏式古建筑的结构形式进行了阐述,重点介绍了木构架的构造和做法,确定了本文的研究对象,从结构角度出发对研究对象进行荷载和约束的简化,从而建立了对应的分析模型。
其次,以分析模型为依据设计了两组静力试验,第一组试验分析梁柱连接在竖向荷载作用下的传力机理及破坏模式,第二组试验分析梁柱连接的转动性能。以静力试验为基础,进行对应的数值模拟,结合试验与有限元分析结果确定了组成节点的各个组件的受力状态,节点的传力机理及破坏模式,并且建立了节点的弯矩-转角曲线模型,分析了弓木长度、暗销位置对于节点转动刚度的影响,及反复荷载作用下节点刚度退化规律。
再次,进行梁柱连接滞回性能数值模拟,分析了节点在反复位移荷载作用下的受力状态,建立了滞回曲线,骨架曲线,恢复力模型,并进行刚度退化分析及能量耗散能力分析,将有限元分析结果与已有的汉式古建木构节点的拟动力试验结果进行比较,参照试验结果对恢复力模型进行了修正。
图113幅,表22个,参考文献54篇。
ABSTRACT: The historical significance, religious significance and artistic value of ancient Tibetan architecture have always been the focuses of world attention. Many Tibetan buildings were built long years ago, so there are already a large number of damaged phenomenon in the internal structure. Under this premise, it is particularly important to analysis structural properties of ancient buildings in order to take reasonable protective measures. And the performance of the joint is the basis and key for understanding mechanical behavior of the whole structure. The recently study is mainly focused on the architectural style, decorative arts and religious meaning. At the same time the study on analysis of the structural performance is few.
In this paper, a typical beam-column connection is taken as the research object. Static test and corresponding numerical simulation are carried out to analysis the static properties of the connection. Combining test results and numerical results, moment-rotation curve model of joint is extracted, influence law of related factors and transfer mechanism cf the connection are summed up. In addition, hysteretic behavior is simulated. The main contents include the following aspects:
Firstly, based on the on-the-spot investigation structural form of ancient Tibetan architecture is described. Composition and practices of timber frame are focused on and the object of study in this paper is determined. The loading and constraints of structural prototype are simplified to establish corresponding analysis models.
Secondly, two groups of static test are carried out based on analysis models. Transfer mechanism and failure modes under vertical load of beam-column connection are analyzed in the first group test. Rotational behavior of the joints is analyzed in the second group test. Taking static tests as the basis, the corresponding numerical simulation is carried out. Combining the results of the two aspects, stress states of composition are explained and M-θmodel is obtained. The effect of Gongmu's length, dowel's position to initial rotational stiffness is studied. Stiffness degradation rule under cyclic loading is obtained.
Thirdly, hysteretic behavior is simulated. Stress states, hysteretic curve, skeleton curve, restoring force model of joint are obtained. Stiffness degradation rule and energy dissipation are analyzed. The results of numerical simulation are compared with existing pseudo-dynamic test. 113 diagrams,22 charts,54 references
引文
[1]贾中.藏式建筑研究[D].武汉：武汉理工大学,2002：1-34
[2]Liang, Si-Cheng(edited by Wilma Fairbank). A Pictorial History of Chinese Architecture, MIT Press, Boston,1984
[3]杨嘉铭、赵心愚.西藏建筑的历史文化[M].青海：青海人民出版社,2003
[4]徐宗威.西藏传统建筑导则[M].北京：中国建筑工业出版社.2004
[5]陈耀东.中国藏族建筑[M].北京：中国建筑工业出版社,2007
[6]阿旺罗丹等.西藏藏式建筑总揽[M].成都：四川美术出版社,2007
[7]姜怀英等编著.西藏布达拉宫修缮工程报告[M].北京：文物出版社,1994
[8]李鹏.藏式古建筑木构架梁柱节点力学机理研究[D].北京交通大学硕士学位论文.2009
[9]郭婷.藏式古建筑的人致荷载分析[D].北京交通大学硕士学位论文.2009
[10]张岩.藏式结构有限元模型修正与变形关系分析[D].北京交通大学硕士学位论文.2010
[11]马炳坚.中国古建筑木作营造技术[M].北京：科学出版社,1991
[12]王天.古代大木作静力初探[M].北京：文物出版社,1992
[13]赵均海,俞茂宏,高大峰等.中国古代木结构的弹塑性有限元分析[J].西安建筑科技大学学报,1999,31(2)：13-133
[14]赵均海,俞茂宏,杨松岩,孙家驹.中国古代木结构有限元动力分析[J].土木工程学报,2000(5)：87-94
[15]方东平,俞茂宏,宫本裕,岩崎正二,彦坂熙.木结构古建筑结构特性的试验研究[J].工程力学,2000,17(2)：75-83
[16]方东平,俞茂宏,宫本裕,岩崎正二,彦坂熙.木结构古建筑结构特性的计算研究[J].工程力学,2001,18(1)：137-144
[17]徐其文,汤小平,索安勇.中国古典建筑木结构特性的分析研究[J].淮海工学院学报,2002,11(4)：64-67
[18]丁磊,王志赛,俞茂宏.西安鼓楼木结构的动力特性及地震反应分析[J].西安交通大学学报,2003,37(9)：986-955.
[19]竺润祥,董益平,任茶仙,俞茂宏.榫卯连接的古木结构静力分析[J].工程力学(增刊),2003：435-438
[20]仓盛,竺润祥,任茶仙,俞茂宏.榫卯连接的古木结构动力分析[J].宁波大学学报(理工版),2004,17(3)：332-335
[21]乐志.中国传统木构架榫卯及侧向稳定研究[D].东南大学硕十论文,2004
[22]王俊鑫,徐彬.木结构框架在水平荷载作用下的内力和侧移计算[J].云南电大学报,2007
[23]康敏.传统木构建筑榫卯连接静力性能研究[D].北京交通大学硕士学位论文.2010
[25]高大峰,赵鸿铁,薛建阳等.中国古代木构建筑抗震机理及抗震加固效果的试验研究[J].世界地震工程,2003,19(2)：1-10
[26]罗勇.古建木结构建筑榫卯及构架力学性能与抗震研究[D].西安建筑科技大学硕士学位论文.2006
[27]姚侃.木结构古建筑的结构特性及抗震性能研究[D].西安建筑科技大学硕士学位论文.2006
[28]赵金城.传统叠斗式大木构架结构行为探讨[M].台湾国立成功大学,2004
[29]张纹韶.台湾传统穿斗式木接点旋转行为之研究[D].台湾国立成功大学,2006
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[33]Sandberg L B, Bulleit W M, and Reid E H. Strength and stiffness of oak pegs in traditional timber-frame joints. J. Struct. Engrg., ASCE.2000,126(6):717-723.
[34]张舵.木结构古塔的动力特性分析[D].国防科技大学硕士论文,2002
[35]隋龏.古建筑木结构斗拱的抗震机理及力学分析[D].西安建筑科技大学硕士论文,2006
[36]魏国安.古建筑木结构斗拱的力学性能及ANSYS分析[D].西安建筑科技大学硕士论文,2007
[37]吕旋.古建筑木结构斗拱力学性能研究[D].北京交通大学硕士学位论文.2010
[38]津和佑子,藤田香织,金惠园.传统木结构建筑构件的动力荷载试验(第一部分)微动测定与自由振动试验.日本建筑学会大会学术讲演论文集.日本建筑学会.2004,23-24.
[39]金惠园,藤田香织,津和佑子.传统木结构建筑构件的动力荷载试验(第二部分)荷载变形关系与变形特征.日本建筑学会大会学术讲演论文集.日本建筑学会.2004,25-26.
[40]藤田香织,金惠园,津和佑子.传统木结构建筑构件的动力荷载试验(第三部分)恢复力特性与刚度的讨论.日本建筑学会大会学术讲演论文集.日本建筑学会.2004,27-28.
[41]薛建阳,赵鸿铁,张鹏程.中国古建筑木结构模型的振动台试验研究[J].土木工程学报,2004,37(6)：6-11
[42]张鹏程.中国古代木构建筑结构及其抗震发展研究[D].西安建筑科技大学博士学位论文,2003
[43]李铁英,魏剑伟,张善元,李世温.应县木塔实体结构的动态特性试验与分析.工程力学,2005年1月
[44]李世温,王晋生,魏剑伟,张文芳.应县木塔抗震性能研究[R].太原理工大学,1996
[45]李铁英,张善元,李世温.古木塔风压模型试验分析.实验力学,2003(3)
[46]李铁英,张善元,李世温.应县木塔风作用振动分析.力学与实践,2003(2)
[47]李铁英,张善元,李世温.占木塔场地抗震性能评价及地震参数选择.岩土工程学报,2002(5)
[48]张文芳,李世温等.一类斗拱木结构恢复力特性的模型试验研究,东南大学学报,1997年11月
[49]魏剑伟,李世温.应县木塔地震影响分析,太原理工大学学报,2003年9月
[50]李铁英,应县木塔现状结构残损要点及机理分析[D].太原理工大学,2005
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