多层木结构古建筑的抗震性能及破坏评估研究

摘要

西安明城墙永宁门（南门）城门，原为隋唐长安皇城和唐末韩建所筑新城的安上门，唐末至北宋封闭了朱雀门、含光门，故至清代城墙南面仅开此一门。此门为明洪武七至十一年建成，取永保安宁之义，包括城楼、箭楼、闸楼、门外有瓮城、月城，为西安府城南的重要门户。在1926年被刘镇华的镇嵩军焚毁，现为了恢复西安城墙形制的完整性，对其箭楼进行复建，并依据现代结构抗震规范对其抗震性能、结构损伤及滞回耗能之间内在机制进行研究。
　　本文即以西安城墙永宁门复建工程为背景，按照清工部《工程做法则例》规制，制作缩尺比为1:6的直榫柱架模型、多攒斗拱模型和短柱模型，以及箭楼结构中部三间木构架模型，通过对其进行拟静力试验和地震模拟振动台试验，分析研究了三个构件模型在拟静力试验下的受力状态和破坏特征；通过对模拟振动台试验现象观察和结构损伤分析，得出了模型结构在不同地震工况下的位移反应和加速度反应的变化趋势；根据结构层间剪力和位移的滞回曲线得出结构各个部分吸收或耗散的能量，从而建立结构损伤和滞回耗能之间的对应关系。并得出了以下结论：
　　（1）对直榫柱架、多攒斗拱层和短柱构件缩尺模型的拟静力试验现象和构件破坏特征的分析研究，得出地震作用下木结构古建筑构件破坏的主要形式。
　　（2）通过对缩尺比1:6的永宁门（南门）箭楼模型进行的地震模拟振动台试验数据进行分析，得出木结构古建筑在不同地震激励作用下的结构动力特性及其地震反应特征，结果表明，随着地震激励作用的增强,结构的耗能能力也随之增大，柱架层的耗能减震作用最明显。
　　（3）为了掌握永宁门（南门）箭楼在地震作用下的破坏过程和状态，对震后其破坏程度做出合理评估，基于柱架直榫榫卯节点、斗拱结构层和柱础层在低周水平反复载作用下的滞回耗能特性和能量耗散原理，将柱架直榫榫卯节点、斗拱结构层和柱础层看做三个主要耗能构件，计算其在不同地震工况下各耗能构件的―构件破坏总耗能；基于构件的―构件破坏总耗能和各构件在地震工况下耗能状况建立主要耗能构件在不同地震作用下的破坏模型；引入能量分配系数建立主要耗能构件破坏状态与整体结构破坏状态之间的关系，继而得出整体结构的破坏系数以反映整个结构在不同地震作用下的破坏状态，研究结果可为多层木结构古建筑的抗震加固提供科学合理的理论依据。

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1 绪 论

1.1研究背景和研究意义

1.2国内外木结构古建筑研究现状及水平

1.3本文研究主要内容

2 木结构古建筑构件拟静力试验研究

2.1木材材性的研究

2.2直榫柱架的水平拟静力试验

2.3多攒斗拱的水平拟静力试验

2.4柱底与础石间滑移耗能拟静力试验

2.5本章小结

3 多层木结构模型振动台试验研究

3.1概述

3.2模型设计与制作

3.3试验方案

3.4试验现象

3.5模型动力特性分析

3.6模型地震反应及分析

3.7本章小结

4基于能量耗散的多层木结构地震破坏评估

4.1概述

4.2多层木结构古建筑地震作用下的耗能分析

4.3永宁门箭楼主要耗能构件的震害评估

4.4永宁门箭楼结构整体地震破坏评估

4.5基于破坏程度永宁门箭楼结构损伤等级和抗震能力指数划分

4.6本章小结

5 结论与展望

5.1主要结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录 攻读硕士学位期间发表的论文