木结构古建筑榫卯节点力学模型与抗震加固研究图文更多文档分类.docx
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国内图书分类号:
TU366.2密级:
公开国际图书分类号:
西南交通大学
研究生学位论文
年.级.2Q!
Q级
姓名王超
申请学位级别.亟±
专业结趁工程
指导老师潘趟
二零一二年十二月一日
ClassifledIndex:
TU366.2
U.D.C:
SouthwestJiaotongUniversity
MasterDegreeThesis
StudyofMechanicsModelandSeismic
StrengtheningofTenon——MortiseJointsinChinese
AncientTimberStructure
Grade:
20lO
Candidate:
WangChao
AcademicDegreeAppliedfor:
Master
Speciality:
StructuralEngineeringSupervisor:
PanYiDec.1,2012
西南交通大学
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。
本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于
1.保密口,在年解密后适用本授权书;
2.不保密酎,使用本授权书。
(请在以上方框内打‘、,”)
学位论文作者签名:
至恕
日期:
≯队12.I指导老师签名:
日期:
2072./2./
西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明
本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下:
(1)详细分析了直榫节点在一个加载循环内,榫头及卯口的受力情况,考虑了(2)建立相同尺寸分别采用燕尾榫和直榫的构架模型,输入相同的地震波模拟(3)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(4)建立青城山黄帝殿的有限元模型,计算表明,由于该结构刚度不对称,产生了较强的扭转作用,导致震害的产生;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。
本人郑重声明:
所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。
除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体,均己在文中作了明确说明。
本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。
学位论文作者签名:
王褪日期:
2019-.19-・I木材受压非线性和拔榫量的影响,推导出直榫节点M一0理论模型,并给出了简化计算模型。
振动台试验,并对结果进行分析,得到相同尺寸构架对应的直榫刚度和承载力均大于燕尾榫。
柱架有限元模型,对比这几种加固方式对结构产生的影响,结果证明扁钢加固和用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,而用阻尼器加固榫卵节点,可以降低结构整体动力响应。
阻尼器的阻尼取值并非越大越好,而是存在最优值。
西南交通大学硕士研究生学位论文第1页
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,榫卵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一0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一0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个方向的交刚度弹簧,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加同榫卯节点,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,而用阻尼器加固榫卵节点,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一0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;而用阻尼器加同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。
关键词:
木结构古建筑,榫卯节点,直榫,力学模型,抗震加固
基金项目:
中国工程院咨询研究项目(2010.ZD-4)
城市与建筑遗产保护教育部重点实验室开放课题(KLUAHC1008)
西南交通大学硕士研究生学位论文
第1I页
Abstract
Chin粼ancient
become
a
timbers协lctIl蕾eiSworldfamousforitsmagnificenceanduniquestructure.Ithas
representativeofthe
oriental
building
smlctures,and
produced
profoundinfluence
tothe
emergenceanddevelopmentofbuildings缸1lctIl陀sinneighboring
in
2008had
countries.TheWenchuan
earthquake
broughtanunprecedenteddisaster
considered
to
to
ancientculturalheritageindisasterareas.Many
ancient
buildings
havegoodseismicperformanceappeareddifferentdegreeofdamage.
is
one
Damageofthetenon-mortisejoint
ofcharacteristicsoftypicalseismicdamage.Sostudy
on
mechanismofthetenon-mortisejointandthecorresponding
socialvalue.Inthispaper,mechanicalmodelofthestraighttheoretical
reinforcement
measureshave
is
significant
to
tenon-mortisejoint
studied,according
arc
analysis.andreinforcingmethod
andthe
for
tenon-mortisejoint、Ⅳithdampers
are
also
discussed.
ne
maincontents
achievements
M-0
ofthispaper
summarizedasfollows:
under
a
Atfirst,mechanicsofthestraighttenon-mortise’n蟛theoreticalthenonlinear
jointsloadingloopis
is
analyzed
indetail.
model
of
relationshipofthe
straighttenon—mortisejoints
proposed.consideringMatlabprogram.Top
compressionpropertyofwood
and
the
thepullingprocessofthetenon.ThetheoreticalM-e
relationship
curve
isingoodofthe
agreementwith
experimental
ones,illustratedby
andbottom¥1Lrfaces
feamrepoints
straighttenon-mortisejoints
relationship
contributemosttothebendingstiffness.Each
is
deduced
by
ofthetheoreticalM一0
curve
mechanicsanalysisand
mathematicalsolution,withwhichthetheoreticalmodelissimplifiedfortheconvenienceofengineering
application.
Secondly,tenon-mortisejointiS
finite
simplified
as
variable
stiffness
springsin6
directions.and
two
elementmodelsincludingstraighttenon=mortise
s仃uctllIe
modelandswallow-tailedtenon・mortise
structural
model
are
established.Comparison
showsthat
one
dynamicamplificationfactorofthe
tenon-mortisestructuralmodelislargerthanthe
of
swallow・tailedtenon-mortisestructural
straightmodelin
higher
one.
seismicacceleration.Itmeansthat
stiffness
ofthe
straighttenon-mortise
iSlargerthantheother
Thirdly,onenon-reinforced
andthree
reinforcedtenon-mortisestructuralmodels
are
arc
analyzed.n圮
reinforced
reinforcedtenon・mortisestrucmral
models
strengthenedwithfiatsteel,carbonfibershowthatthe
four
polyer(CFRP)sheet,and
methodsaffecting
dampers,respectively.Analysisresults
in
a
strengthened
steel.
dynamicamplificationfactor
a
descendingorderas:
strengthened
witllflat
strengthened
that
withCFRPsheets,the
tenon-mortise
to
a
non-reinforcedmodel,andjointwith
flatis
strengthened诵t11damper.Itmeans
strengthening
damperswillreducedynamicresponseofthewhole
CFRPsheets.Studyshowsthatthereis
a
髓棚【ctu陀,compareddampingvaluewhen
strengthenedwithtenon-mortisejoint
steelor
optimal
strengthened.
ofM.erelationshipofthestraighttenon-mortise
Atlast,accordingtothetheoretical
model
joints,
causes
time-historyanalysisofHuangditempleelement
thetorsionresultsinseismicdamageofthemodels
are
modelproves
thatsymmetricalstiffnesswhich
temple.After
that,tworeinforcedtenon-mortise
structural
flat
compared.including
virtualmodel
a
modelcreated
accordingtotheactualsituationstrengthened、历m
steel
and
a
strengthened
withdampers.Analysisresultshowsthattheinternalforceand
flat
dymaic
responseof
tenon-mortisejointsstrengthened、)l,ith
steelisincreasedcomparedtothose
strengthenedwithdampers.Itindicatesthatthesetenon-mortisejointsareeasiertobedamagedinthefutureearthquake.While,theinternalforceanddynamicresponseofthewholestructurewillbereduced谢thdampers.
Insummary,uniquemechanicalcharacteristicsofthetenon—mortiseshouldbeprotectedwhenreinforced.Strengtheningatenon-mortisejointwithdampershasadvantagescomparedwithtraditionalways.Thesestudieswilltakeimportantpartinseismicmechanismandseismicstrengtheningofancienttimberstructure.
Keywords:
Chineseancienttimberstructure;Tenon-mortiseconnection;Straighttenon・mortisejoint;
Mechanicalmodel;Seismicstrengthening
FundItems:
ProjectsofConsultantandResearchofChineseAcademyofEngineering(CrrantedNo.
2010-ZD-4)
FoundationofKeyLaboratoryofUrbanandArchitecturalHeritageConservation,MinistryofEducation(GrantedNo.KLUAHCi008)
西南交通大学硕士研究生学位论文第1V页
目录
第l章绪论………………………………………………………………………………….1
1.1研究的背景和意义…………………………………………………………………11.2榫卵节点的种类和破坏形式………………………………………………………l
1.2.1榫卵节点的种类……………………………………………………………..11.2.2榫卯节点的受力状态和破坏形式…………………………………………。
31.3榫卵节点的研究现状………………………………………………………………4
1.3.1国内研究现状………………………………………………………………一41.3.2国外研究现状……………………………………。
:
…………………………71.4本文研究目的和研究内容………………………………………………………….8参考文献………………………………………………………………………………..10第2章直榫节点的力学模型………………………………………………………………l3
2.1概j苤…………………………………………………………………………………………………………一132.2木材的力学指标…………………………………………………………………一13
2.2.1抗压强度与弹性模量………………………………………………………132.2.2木材抗压本构关系………………………………………………………….132.2.3木材摩擦……………………………………………………………………142.3直榫节点M一目理论模型…………………………………………………………14
2.3.1基本假定…………………………………………………………………….142.3.2节点理论模型………………………………………………………………152.4节点理论模型分析…………………………………………………………………20
2.4.1理论模型相关参数的确定…………………………………………………202.4.2理论模型计算结果分析…………………………………………………….232.4.3节点骨架曲线特征点…………………………………………………………232.5力学模型简化……………………………………………………………………..242.64、结…………………………………………………………………………………………………………..25参考文献……………………………………………………………………………….26第3章直榫与燕尾榫抗震性能的对比…………………………………………………..27
3.1概述…………………………………………………………………………………………………………。
273.2直榫与燕尾榫骨架曲线的对比……………………………………………………273.3模拟直榫与燕尾榫振动台试验的对比…………………………………………..28
3.3.1模拟燕尾榫柱架振动台实验………………………………………………283.3.2模拟直榫柱架振动台试验………………………………………………….293.3.3结果对比分析………………………………………………………………..303.4小结…………………………………………………………………………………………………………..34参考文献………………………………………………………………………………..35第4章阻尼器与扁钢、CFRP加固榫卯节点的对比研究………………………………36
4.1概述…………………………………………………………………………………………………………。
364.2扁钢、CFRP和阻尼器的加固效果对比………………………………………….36
4.2.1模拟扁钢、CFRP加固榫卯节点的振动台试验…………………………..364.2.2模拟阻尼器加固榫卯节点的振动台试验………………………………….374.2.3模拟试验结果对比………………………………………………………….38
西南交通大学硕士研究生学位论文第V页
4.3阻尼器参数及安装位置对加固效果的影响……………………………………..41
4.3.1阻尼器参数对加固效果的影响…………………………………………….414.3.2阻尼器安装位置对加固效果的影响……………………………………….434.4以、结…………………………………………………………………………………………………………..46参考文献…………………………………………………………………………………48第5章青城山黄帝殿榫卯节点加固研究………………………………………………..49
5.1概述…………………………………………………………………………………………………………。
495.2黄帝殿概况………………………………………………………………………..49
5.2.1黄帝殿简介…………………………………………………………………一495.2.2震害与加固情况……………………………………………………………495.3黄帝殿震害分析…………………………………………………………………。
50
5.3.1所需榫卯节点力学参数的获取…………………………………………….505.3.2模型的建立………………………………………………………………….565.3.3震害分析……………………………………………………………………575.4用钢板加固和用阻尼器加固榫卯节点的对比…………………………………..59
5.4.1钢板加固榫卯节点的模拟…………………………………………………595.4.2阻尼器加固榫卯节点的模拟……………………………………………….635.5提出建议……………………………………………………………………………665.6,J、结…………………………………………………………………………………………………………。
66参考文献………………………………………………………………………………。
67结论与展望………………………………………………………………………………….68攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果………………………………………………70致谢…………………………………………………………………………………………………………….71
西南交通大学硕士研究生学位论文第1页
lIPl■——_
第1章绪论
1.1研究的背景和意义
中国作为世界四大文明古国之一,拥有灿烂的历史文明,中华民族的祖先为我们留下了无数宝贵的物质和文化遗产,而其中很重要的一部分,就是中国古建筑。
中国古建筑中最具有代表性的就是大木作结构,这种结构形式在世界建筑史上独树一帜,其影响远及东亚各国,成为东方建筑的代表。
我国木结构古建筑不用一钉一铆,全靠木材制成的构件相互搭接和穿插而成,以木构架为主要承重构件,墙体只起到围护和隔断的作用。
榫卯连接、铺作层、柱脚与础石平摆浮搁、高台阶、重屋盖、柱脚外放等,都是木结构古建筑中令中外学者津津乐道的构造。
这其中最为重要的就是榫卯连接,因为木结构承重构架的梁柱节点、铺作层与柱头的连接、屋盖中外挑的椽子等,用的全部是榫卵连接,可以说,榫卯连接是木结构的灵魂。
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