木结构古建筑榫卯节点力学模型与抗震加固研究

摘要

中国木结构古建筑以其恢弘的气势和独特的结构闻名于世，成为东方建筑结构的代表，是宝贵的文化遗产，并对周边国家建筑的产生和发展产生了深远影响。2008年的汶川特大地震给灾区古建筑带来了前所未有的劫难，即使是抗震性能较好的木结构古建筑在地震中也出现了不同程度的损毁。其中，榫卯节点破坏是木结构古建筑常见的震害特征之一。因此，研究榫卯节点的受力机理以及相应的加固方法，对于更好地保护木结构古建筑，具有重要的理论意义和社会价值。本文通过理论分析，对直榫节点的力学模型进行了研究，并对采用阻尼器加固榫卯节点的方法进行了探索。主要研究内容和成果如下:
　　 首先，详细分析了直榫节点在一个加载循环（正向加载、正向卸载、反向加载和反向卸载）内，榫头及卯口的受力情况，考虑了木材受压非线性和拔榫量的影响，推导出直榫节点M-θ理论模型。通过理论分析和matlab编程绘图表明，该理论模型曲线与相关试验曲线在极值、发展趋势及拐点等各方面均吻合较好;直榫榫头上下表面对抗弯刚度贡献最大，而大榫头端部贡献很小。通过力学分析和对数学求解，得到了直榫节点M-θ理论曲线的各特征点，并给出了简化计算模型。
　　 其次，在有限元分析中，将榫卯节点简化为6个方向的变刚度弹簧，建立相同尺寸分别采用燕尾榫和直榫的柱架，输入相同的地震波模拟振动台试验，当地面加速度较小时，二者柱架柱头动力放大系数相差不多，而当地面加速度较大时，直榫柱架动力放大系数明显大于燕尾榫柱架，表明相同尺寸的直榫刚度和承载力均大于燕尾榫，这与相关试验结论相符。
　　 然后，分别建立未加固、用扁钢加固、用CFRP加固和用阻尼器加固榫卯节点的柱架有限元模型，计算得出柱头动力放大系数从大到小依次为扁钢加固柱架、CFRP加固柱架、未加固柱架和阻尼器加固柱架，说明用扁钢加固和用CFRP加固榫卯节点，均在不同程度上增大了节点刚度，增大了整个结构的动力响应，对结构不利，而用阻尼器加固榫卯节点，仅对柱架的高阶模态有所影响，并且降低了结构整体动力响应。研究还表明，阻尼器的阻尼取值并非越大越好，而是存在最优值。
　　 最后，应用本文推导出的直榫节点M-θ理论曲线，建立青城山黄帝殿的有限元模型，计算表明，由于该结构只有一侧有石墙裙，使得结构刚度不对称，产生了较强的扭转作用，导致该结构一层角部挑檐梁以及石墙裙附近砖柱与础石相连处内力较大，这与实际震害产生的位置相吻合，将实际情况加固（采用钢板加固榫卯节点）和模拟用阻尼器加固榫卯节点的黄帝殿模型进行了对比，研究表明，现有用钢板加固榫卯节点的方法，会导致结构大部分节点内力增加，地震响应增大，加固后的结构在将来的地震中存在隐患;而用阻尼器加固相同位置的榫卯节点，则会减小结构内力，降低结构动力响应。
　　 总之，木结构古建筑的榫卯节点具有独特传力机理，对其维修和加同也应立足于保护它内在的传力机理，而用阻尼器加固榫卯节点对其整体受力更为有利。本文的研究成果可为木结构古建筑的加固保护工作提供借鉴。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 榫卯节点的种类和破坏形式

1．2．1 榫卯节点的种类

1．2．2 榫卯节点的受力状态和破坏形式

1．3 榫卯节点的研究现状

1．3．1 国内研究现状

1．3．2 国外研究现状

1．4 本文研究目的和研究内容

参考文献

第2章 直榫节点的力学模型

2．1 概述

2．2 木材的力学指标

2．2．1 抗压强度与弹性模量

2．2．2 木材抗压本构关系

2．2．3 木材摩擦

2．3 直榫节点M-θ理论模型

2．3．1 基本假定

2．3．2 节点理论模型

2．4 节点理论模型分析

2．4．1 理论模型相关参数的确定

2．4．2 理论模型计算结果分析

2．4．3 节点骨架曲线特征点

2．5 力学模型简化

2．6 小结

参考文献

第3章 直榫与燕尾榫抗震性能的对比

3．1 概述

3．2 直榫与燕尾榫骨架曲线的对比

3．3 模拟直榫与燕尾榫振动台试验的对比

3．3．1 模拟燕尾榫柱架振动台实验

3．3．2 模拟直榫柱架振动台试验

3．3．3 结果对比分析

3．4 小结

参考文献

第4章 阻尼器与扁钢、CFRP加固榫卯节点的对比研究

4．1 概述

4．2 扁钢、CFRP和阻尼器的加固效果对比

4．2．1 模拟扁钢、CFRP加固榫卯节点的振动台试验

4．2．2 模拟阻尼器加固榫卯节点的振动台试验

4．2．3 模拟试验结果对比

4．3 阻尼器参数及安装位置对加固效果的影响

4．3．1 阻尼器参数对加固效果的影响

4．3．2 阻尼器安装位置对加固效果的影响

4．4 小结

参考文献

第5章 青城山黄帝殿榫卯节点加固研究

5．1 概述

5．2 黄帝殿概况

5．2．1 黄帝殿简介

5．2．2 震害与加固情况

5．3 黄帝殿震害分析

5．3．1 所需榫卯节点力学参数的获取

5．3．2 模型的建立

5．3．3 震害分析

5．4 用钢板加固和用阻尼器加固榫卯节点的对比

5．4．1 钢板加固榫卯节点的模拟

5．4．2 阻尼器加固榫卯节点的模拟

5．5 提出建议

5．6 小结

参考文献

结论与展望

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

致谢