中国古代建筑木结构半筋节点的地震机理研究

  本篇论文是一篇建筑硕士论文范文，近些年来，计算机仿真技术飞速发展，大量计算机仿真方法被实际工程使用，其有效性和准确性也得到了验证。有限元分析方法是计算机仿真技术中重要组成部分，这种方法从结构矩阵分析方法出发，将无限自由度的连续体转换成有限自由度单元集合体。这种有限元分析方法能够在试验条件受限、试验成本过高、试验组数过多的情况下代替试验研究。

  1.1  课题背景与意义

  中国古建筑木结构是中国历史、文化、人文、艺术的集成，能够反映我国每一个时代的特色，向后世传递着中华民族之精神。梁思成先生认为中国古建筑木结构属于东方独立建筑系统，虽然曾经多次受到外来异族的影响，发生变异，但仍然保存着它固有的结构形式、布置规模，它是“极特殊”、“极长寿”、“极体面”的。中国古建筑木结构通常具有“大屋顶”、“木骨架”、“石台基”等 3 大特征，这些特征使其区别于世界其他地域和国家的建筑，以其独特的建筑形式屹立于世界建筑之林。但是目前中国古建筑木结构往往建造年代久远，在其漫长的生命周期中，风吹日晒、腐朽虫蛀、干湿交替、地震飓风等环境因素和游客观光、周边改造动土、战争等人为因素为中国古建筑木结构带来各种形式的损伤。如整体结构倾斜、扭转和沉降等结构层次的损伤，梁枋的挠曲、柱的倾斜、榫卯的拔出等构件层次损伤：用材的腐朽、虫蛀、裂缝、孔洞等材料层次损伤。上述损伤使得中国古建筑木结构健康情况令担忧。 带有损伤的中国古建筑木结构在地震荷载作用下往往会出现局部破坏，甚至倒塌现象，其带来的经济财产损失无法估计，人文艺术损失更无法弥补。经调研发现，中国古建筑木结构在地震灾害作用下，多发生榫卯节点位置的破坏，例如榫卯部位的劈裂、拔榫等，梁枋和檐柱等本身的破坏较少。因此，对中国古建筑木结构榫卯节点进行加固修缮，可以很好的避免整体结构的破坏。针对地震荷载的中国古建筑木结构榫卯节点加固修缮往往要依托于中国古建筑榫卯节点抗震机理，因此对榫卯节点抗震机理的研究就尤为重要。 目前国内外学者依托于理论分析、有限元软件、试验等手段对中国古建筑木结构榫卯节点抗震机理进行了大量研究，上述研究主要集中在透榫、直榫和燕尾榫等榫卯节点形式，基于上述研究成果，工程人员也提出了大量有效的加固修缮方法。但是，经过调研发现，抬梁式中国古建筑木结构中边跨位置常用的半榫节点在地震荷载作用下抗拉拔能力弱，该类节点在地震荷载作用下容易出现局部破坏，导致中国古建筑木结构的倒塌。但是，针对该类节点的试验研究较多，理论分析和有限元分析十分少见。在榫头和卯口安装时，需要事先预留初始缝隙以方便安装。在漫长的服役周期中，自重、地震荷载等，会增大榫头和卯口间的缝隙。环境因素对于木材料的影响，例如木材的干缩、糟朽等，同样会增大上述构件间的缝隙；因此，带缝工作应是中国古建筑木结构边跨半榫节点地震荷载作用下的工作常态。但是目前很少学者对边跨半榫节点带缝工作状态进行研究。故此本文利用有限元分析软件 ABAQUS 对无缝的中国古建筑木结构边跨半榫节点和带缝的中国古建筑木结构边跨半榫节点在地震荷载作用下的机理进行研究，以期了解缝隙对该类节点地震荷载作用下的受力状态、拔榫量、滞回曲线、抗震极限承载力、骨架曲线、刚度退化规律和位移延性指标的影响，为后续中国古建筑木结构边跨半榫节点在地震荷载下的加固修缮提供理论基础。 

  1.2  课题相关内容介绍

  中国古建筑木结构是中国历史、文化、人文、艺术的集成，能够反映每一个时代的特色，向后世传递着中华民族之精神。梁思成先生认为中国古建筑木结构为属于东方独立系统，虽然曾经多次受到外来异族的影响，发生变异，但仍然保存着它固有的结构形式、布置规模，它是极特殊、极长寿、极体面的。中国古建筑木结构通常具有“大屋顶”、“木骨架”、“石台基”等 3 大特征，这些特征使其区别于世界其他地域和国家的建筑，以其独特的建筑形式屹立于世界建筑之林。 “石台基”有着防止出现上重下轻之势的美观作用，在结构层面的作用类似于现代结构的筏板基础，具有防止结构倾覆，坚实地坪，传递荷载之用，同时兼有防水排水的作用；“木骨架”是中国古建筑木结构的重中之重，该部分是科学和美学共同结合的结晶。中国古建筑木结构使用木材构架作为骨干，然后加上墙壁，如同皮肉之附于骨上。结构的负重部分全赖木架，毫不借助墙壁，也就是所谓的“墙倒屋不塌”。这也是中国古建筑木结构最独特的特点，只有哥特式中所谓的“半木构法”与中国框架极其相似，因有石垒的影响，始终未能如中国框架之彻底纯净。“木骨架”中的斗栱不仅仅美观，而且有均匀转递荷载，抗震，维持结构空间稳定的作用，其中的斗栱由多层曲木组成，会使房檐重量渐次集中到柱的上面，实是横展结构和立柱间最为关键的关节，是中国古建筑木结构的精华。中国古建筑木结构的“大屋顶”最为壮美，上部巍然高耸，檐部如翼轻展，上面布置有檐部装饰，主要考虑雨水和光线以及美观的作用，但在结构层面上仅仅有增加自重的作用。 中国古建筑木结构极具时代特征，汉代建筑（秦汉至南北朝时期），使用秦砖汉瓦和木构架技术，使得当时的木结构具有一定的形制，后世称为汉式建筑。该建筑通常造型平直、檐角微翘、装饰朴实。随着建造水平的提高，从隋唐至宋元时期，中国古建筑木结构飞速发展。《营造法式》一书详尽的介绍了该时代中国古建筑木结构的特点，脊檐弯曲、檐角上翘、装饰华丽。明清时期的建筑则进入标准化阶段，将建造业纳入国家管辖范畴，并出台了《工程做法则例》，此阶段的建筑被称为清式建筑，其特征造型稳重，脊檐正规，翼角稍翘，华而不繁。

  第 2 章  中国古建筑木结构边跨半榫节点抗震机理理论分析

  3.1  边跨半榫节点有限元模型建立

  第 4 章  带缝工作的中国古建筑木结构边跨半榫节点抗震机理有限元分析

  第 5 章  结论与展望

  结论：中国古建筑木结构具有极高的历史、文化、人文、艺术的价值，但是其漫长的生命周期使其受到环境因素和人为因素的影响，出现各种形式的损伤。带有损伤的中国古建筑木结构在地震荷载作用下往往会出现局部破坏，甚至倒塌现象，其带来的经济财产损失无法估计，人文艺术损失更无法弥补。经调研发现，中国古建筑木结构在地震灾害作用下，多发生榫卯连接位置的破坏，对榫卯节点的保护有益于对整个结构的保护。针对地震荷载作用下的中国古建筑木结构榫卯节点加固修缮往往要依托于中国古建筑榫卯节点抗震机理，因此对榫卯节点抗震机理的研究就尤为重要。 本文选取了目前国内外学者研究较少的边跨半榫节点，该节点在抬梁式中国古建筑木结构中边跨位置经常被使用，本身抗拉拔能力弱，故该类节点在地震荷载作用下容易出现局部破坏，导致中国古建筑木结构的倒塌。另外，在榫头和卯口安装时，需要事先预留初始缝隙以方便安装；在漫长的服役周期中，自重、地震荷载等，会增大榫头和卯口间的缝隙；环境因素对于木材料的影响，例如木材的干缩、糟朽等，同样会造成上述构件间的缝隙增大；因此，带缝工作应该是中国古建筑木结构边跨半榫节点地震荷载作用下的工作常态。但是目前很少学者对榫卯节点带缝工作状态进行研究。 因此，本文通过理论和有限元两个方面研究该类节点的抗震机理： （1）理论分析方面：本文对该类节点在地震荷载作用下的正向加载和负向加载下的力学响应进行描述，将该类节点在地震荷载作用下的往复运动过程分为自由转动阶段、弹性状态阶段、塑性状态阶段。使该类节点在地震荷载作用下的工作机理更为明晰。使用力学分析的方法对该类节点地震荷载作用下的 M-θ曲线进行预测，将 M-θ 曲线分为自由转动阶段、弹性状态阶段和塑性状态阶段。将每个阶段相应的影响因素（摩擦系数、材料参数、尺寸参数等）进行了汇总，提出了对应于每个阶段和每个转点的理论公式，以方便实际应用。（2）有限元模拟方面：首先利用有限元分析软件 ABAQUS 对无缝的中国古建筑木结构边跨半榫节点地震荷载作用下的响应进行分析。采用柱平放，梁端加载的方式模拟节点地震荷载作用下的榫头和卯口间的复杂受力状态。提取节点的滞回曲线、骨架曲线、刚度、延性系数等关键参数。其次与带缝的中国古建筑木结构边跨半榫节点地震荷载作用下的响应进行对比，缝隙梯度选择2mm。通过对比可知，缝隙的存在影响着该类节点在地震荷载下的受力状态和拔榫量。缝隙的存在使得节点在低周往复运动中发生滑移，使得原本“梭形”的饱满的滞回曲线变为“反 Z 形”。上述滑移现象的产生也导致该类节点抗震极限承载力和抗震刚度的下降。缝隙的存在同样会导致该类节点骨架曲线形式的变化，即从弹性状态阶段、塑性状态阶段变为自由转动阶段、弹性状态阶段和塑性状态阶段。上述变化使得该类节点的刚度退化规律和地震荷载作用下的位移延性指标也发生了变化，缝隙的扩大减低了中国古建筑木结构边跨半榫节点在地震荷载作用下的安全冗余度。 展望：本文对中国古建筑木结构边跨半榫节点进行了理论分析和有限元分析，由于条件有限，无法进行相应的试验。理论分析中的很多参数需要大量试验确定。希望后续能够进行相应试验，将本文提出的定性的理论分析定量化。另外，结合本文提出的理论分析和有限元分析结果，希望后续能够提出符合中国古建筑木结构边跨半榫节点的加固修缮方法，甚至改进方法。以期能够保护当前中国古建筑木结构，增加其在地震荷载作用下的安全冗余度。