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土木结构协同机理与整体承载性能研究——基于福建土楼视角
时间:2020-09-04 09:47 | 栏目:土木工程 | 浏览:次
硕士论文网第2020-09-04期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇土木工程文章《土木结构协同机理与整体承载性能研究——基于福建土楼视角》，供大家在写论文时进行参考。
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通过建立夯土墙—木构架混合结构整体模型，运用 ABAQUS 进行水平向单调位移加载和往复位移加载的数值模拟，输出得到土楼土木整体结构、夯土墙结构及木构架结构三者的承载变形关系，总结对比可得以下结论：土楼土木结构中的夯土墙与木构架之间并不是简单的线性叠加关系，土楼土木整体结构的承载力大于单独夯土墙加上单独木构架的承载力之和。这说明，夯土墙结构与木构架结构之间存在组合效应，使土楼土木整体结构的承载力得以提升。
第 1 章 绪论
1.1 引言
中国有五大特色的民居建筑，它们广布于祖国的大江南北[1]，而闻名世界的福建土楼属于我国村镇传统民居建筑的一个关键分支。福建土楼属于客家人特有的常见传统民居，始源于唐宋，盛行于明清，是客家人在福建地区选择丘陵地带或斜坡地段建造的生土建筑，它以厚实坚固的外围墙体防御外敌及野兽侵扰，多数情况下建成一座土楼需要数年甚至数十年[2]。坐落于山水间各具形态的土楼如图 1.1 所示。
土楼通常布局缜密，讲究坐向朝向、主次分明规整，外观协调、壮阔，充分展现了中国传统文化的审美造诣和非凡的建筑水准。福建土楼根据外观特点可划分为多种形式，常见形式有圆形土楼、方形土楼和三堂两橫的五凤楼等，变异形式有雨伞楼、半月楼和八卦堡等[3]。而圆形、方形土楼又分为内通廊式和单元式两种类型，据统计，内通廊式的圆楼有 800 余座，如承启楼；单元式的圆楼有 300 多座，如龙见楼；内通廊式的方楼有 1900 多座，如和贵楼；单元式的方楼约 200 余座，如西爽楼。福建土楼属于结构形式独特的生土建筑，它主要由夯土与杉木两种传统建筑材料建造。外围墙体由土夯筑形成，墙体不仅承受自重还要承受屋楼盖传递来的竖向或横向荷载。内部则是由木构架组成，包括木横梁、木立柱以及木楼板、木屋盖等，竖向荷载经过木楼板传递给木横梁，再传递到木立柱上。并且在梁柱节点处，木梁和木柱采用榫接连接形式，它属于半刚性节点，此节点既能承受一定弯矩，还可产生节点位移。
1.2 课题的研究背景及意义
目前，已归列世界文化遗产的土楼，由分布于福建省内三个县市的“六群四楼”组成，世遗土楼共计 46 座。根据定义，福建土楼是指坐落在福建山区（永定、南靖、华安三大地区），适宜族落聚居，能够防御抗扰，并利用外围夯土墙和内部木构架共同承重的多层巨型民居建筑[3]。土楼的“土”字有特殊含义，不像传统的木结构建筑，夯土墙仅作为整体建筑结构的围护构件，土楼中的夯土墙不仅起围护作用，更起着承重作用，承担着建筑的水平荷载和竖向荷载。土楼是由外围夯土墙和内部木构架混合而成的建筑结构，属于典型的“土”“木”混合结构，研究福建土楼土木混合结构的协同承载机理和整体结构承载性能的研究背景和意义主要来源于以下几个方面：2008 年 7 月 6 日，福建土楼的成功申遗引来世界的瞩目[5]，使其成为中国传统客家历史文化的载体，更在历史文化、建筑艺术、民风习俗、传统发扬等方面起到社会性作用[6]。作为世界上独特的客家大型夯土居住建筑，福建土楼是客家文化的一种典型体现，主要分布在福建省内的闽南和闽西地区，与其所处地区的经济、文化、生态等方面的发展息息相关。土楼在建筑布局上讲究阴阳协调，符合中国建筑民居的传统理念，追求建筑物与自然界的和谐发展，达到群聚部落与天地万物的“天人合一”，这些都是福建土楼对历史传统和客家文化重要传承与体现，对中国民居建筑的文化传播与继承有着不可或缺的意义。建造土楼夯土墙的主要建造原料就是夯土，夯土的空隙与微孔使墙体具有明显的吸放湿性，它可调节室内的温湿度，使土楼内部的房间形成冬暖夏凉的室内小气候，至今仍有不少村民以土楼为居住场所，也存在利用土楼改造修建的旅游住所。废弃的土楼可回归农田或原地，种植果蔬或另作他用，不会产生多余的建筑垃圾；内部木构架的木材和砌筑基础的石料在没有损坏的情况下，可重复循环使用，符合现代低碳发展的要求。土楼的绿色理念如图 1.2 所示。随着能源危机和环境污染的日益加剧，生态文明和可持续发展得到社会各界的高度重视和推进，节能环保的生土建筑重新得到专家学者的关注与研究。福建土楼的建筑风格多元化，主要有三种基本形式和十几种变异形式，这些独特的建造形式都有结构规律的研究和借鉴之处。土楼的外围墙体由土夯筑而成，类似于现代的低层砌体结构；内部空间则由木框架结构组成，形式上类似于框架结构。土楼“土”与“木”两者共同承重，大多数人只关注到土楼外围厚实牢固的夯土墙，却忽视了土楼内部精巧的木构架同样是中国传统木构建造技术的典范。夯土墙位于土楼外围，起防御和承重作用，土楼内围则全部由木梁、木柱和木屋楼盖等搭建而成，这些木梁一端搭建在夯土墙的凹槽里，另外一端则搭建在木柱上，利用夯土墙和木构架共同承重。通常情况，我国古代建筑在平面上的设计规划都非常宏伟，但在立面上的建筑高层和悬挑外伸则比较有限。由于“土”与“木”两者结合形成混合承重结构体系，土楼的建造层数通常可达 3 层以上，更高者可达 4-6 层，使得福建土楼在没有钢筋混凝土的时代成为一个建筑奇迹。单一的夯土属于脆性材料，但由于木结构的存在，其承载能力和抗震性能可得到改善，因此土楼的土木结构协同工作机理与整体承载能力也值得我们进一步的分析研究。
第 2 章 土楼的土木结构灾害分析和材料性能研究
2.1 引言
我国属于地震频发的国家之一，从七十年代的河北唐山地震到近年的汶川大地震，屡次地震不仅导致惨重的人员伤亡，而且产生巨大的经济环境损失，给我国人民的生活起居带来重大的创伤与考验。一栋设计建造良好的建筑物或者采取抗震减灾措施的建筑物，能有效挽救无数珍贵生命、减轻经济能源损失。生土建筑在各类自然灾害中遭受的破坏尤为严重，从属于生土建筑的福建土楼灾害情况也较为突出。福建土楼大多属于土木混合承重结构体系，它由空间的梁柱木杆件、外围夯土墙、木楼盖及木屋盖等各系统组建而成；土楼在结构设计上一般布置对称且规整，质心和刚心接近重合，形成很好的向心力和整体性可减轻震害；屋楼盖的存在以及土木节点的有效连接使夯土墙和木构架能够连接在一起而协同工作，共同承受竖向和水平荷载作用。
2.2 土楼的土木混合结构体系介绍
混合结构通常是指由两种或两种以上材料性质迥异的抗侧力构件混合在一起形成的一种结构体系。在混合结构整体受力变形过程中，刚性屋楼盖或连梁将不同的抗侧力构件连接在一起协调变形，从而达到两者协同工作，整体结构的内力在不同抗侧力构件之间传递及分配，一起承担水平向地震作用或风荷载。但是不同抗侧力构件之间的抗震性能差异很大，构件的刚度退化程度和规律也存在差别，遭遇罕遇地震时整体结构由弹性阶段进入弹塑性阶段后，水平向荷载在不同的抗侧力构件之间产生内力重分布，,两构件间的水平向地震作用力的分配率发生变化，故现在国内外规范对混合承重结构体系在弹塑性阶段的内力调整均有相应规定。土楼在长期使用过程中竖向荷载为主要荷载来源，将其分为屋盖荷载和楼盖荷载，屋盖荷载主要包含瓦片重量、檩条椽子重量、雪荷载和上人荷载等；楼盖荷载主要包含木楼板重量、楼层面活载等。竖向荷载的传递路径分别为：屋盖荷载—檩条椽子—横梁—立柱、外围夯土墙—基础—地基；楼盖荷载—横梁—立柱、外围夯土墙—基础—地基。当遭遇台风季节或地震灾害时，土楼也会承受较大的横向荷载作用，横向荷载的传递路径为：风荷载或水平地震作用—夯土墙、木构架—基础—地基。土楼承受的侧向风荷载或水平地震作用在本文第 3 章将计算出其具体荷载值。
第 3 章 土楼土木结构数值模拟分析
3.1 引言
3.2 侨福楼土木结构模型建立
3.3 土楼土木结构协同工作受力性能分析
3.4 土楼土木结构整体承载性能分析
3.5 本章小结
第 4 章 夯土墙-木构架混合结构理论计算分析
4.1 引言
4.2 夯土墙-木构架混合结构协同工作计算分析
4.3 土木结构在水平地震作用下的数值分析
4.4 理论计算与数值模拟对比分析
4.5 本章小结
第 5 章 结论与展望
5.1 主要结论
本文以侨福楼为原型，进行了土楼土木混合结构的协同工作机理和整体结构承载性能的研究，研究主要包括：土木混合结构体系的介绍、土楼的灾害类型及原因分析、夯土和杉木的材性研究、单调荷载下土木结构协同机理的数值分析、往复荷载下土木结构整体承载性能的数值分析、土木结构协同工作的理论与数值对比分析等方面。根据福建土楼土木结构的实际建造情况和承载变形现象，利用 ABAQUS 进行数值模拟分析，将数值模拟结果与理论简化计算结果进行对比，验证数值分析的有效性和简化计算的可行性，数值分析和理论计算可运用于实际土楼的土木结构协同工作机理和整体承载性能的研究。具体的主要结论如下：
（1）福建土楼土木结构的整体骨架由外围夯土墙与内部木构架组成，内部木构架包括垂直木立柱、水平木横梁以及木楼板屋盖等。竖向荷载由外部夯土墙和内部木构架分别承受，横向荷载由外部夯土墙和内部木构架共同承受。竖向荷载与横向荷载先分配传递给夯土外墙和内木构架，再传递给基础、地基。
（2）福建土楼土木结构的灾害类型主要划分为三类：夯土墙的破坏（开裂、坍塌、剥离）、木构架的破坏（开裂、脱离、虫蚀）、屋盖的破坏（瓦片脱落、檩条损坏）。灾害的原因分析概括为以下：①夯土墙强度低、不耐水；②木材易受潮开裂、构件间连接不良致脱离；③屋盖较轻、出檐大；
（3）土楼土木结构协同工作机理研究发现，夯土墙与木构架之间并不是简单的线性叠加关系，两者间存在组合效应，使整体结构的承载力大于夯土墙与木构架的承载力之和，土楼土木整体结构的承载能力因此提升。侨福楼土木整体结构的屈服荷载为 18293.70kN，较单独的夯土墙与木构架之和提升了 6.71%，则土楼土木结构屈服荷载的组合放大系数为 1.067；侨福楼土木整体结构的极限荷载为 23404.20kN，较单独的夯土墙与木构架之和提升了 18.60%，则土楼土木结构极限荷载的组合放大系数为 1.186。
（4）整体结构与夯土墙结构的刚度退化函数均为对数函数、非常相似，说明土楼中夯土墙为主要抗侧力构件，木构架为次要抗侧力构件。由于土楼结构体系的大部分属于夯土墙结构,因此有着夯土结构的诸多特点，同时加入木构架,使得结构的刚度增大,对外围夯土墙起到分担、卸荷作用,从而改善了土楼的整体承载性能与抗震性能。
（5）在单调荷载下，伴随结构变形的增大，夯土墙刚度退化快，使其剪力分配率逐渐降低，而木构架的剪力分配率随位移的增大而增大。两者之间不断发生内力重分布，通过协调变形实现土楼土木结构的水平向协同工作，共同抵抗外部荷载。加载初期，夯土墙和木构架的剪力分配率分别为 97%和 3%，当层间位移角为 1/55 时，两者剪力分配率趋于平稳，约为 94.50%和 5.5%。可以考虑：夯土墙—木构架混合结构的弹性层间位移角限值取为 1/125；夯土墙—木构架混合结构的弹塑性层间位移角限值取为 1/55。
（6）在往复荷载下，根据滞回曲线的捏拢现象和饱满程度，说明土楼整体结构的耗能抗震性能良好。土楼土木结构由弹性阶段进入弹塑性阶段产生刚度退化现象，刚度退化关系曲线函数可拟合为6.538K420697e。根据土楼土木结构骨 架 曲 线的 特 征 ，结 构的 屈服 荷载 、极 限荷 载以 及 破 坏 荷 载 分 别 为21862.89kN、23883.74kN 和 20301.18kN，与单调加载的特征荷载值基本接近，土楼土木结构整体承载性能满足要求。
（7）水平向风荷载或水平地震作用的理论计算分析时，考虑依据实际刚度分配原则，夯土墙抗侧刚度的折减系数可取为 0.6，木构架可取为 1.2。木构架的抗侧刚度占总抗侧刚度约为 5%，与第 3 章 ABAQUS 有限元分析结果一致。在七度基本地震作用下，夯土墙分担的剪力为 4181.03wV k N ,木构架分担的剪力为 220.05fV k N 。
（8）水平地震作用数值模拟分析时，整体结构、夯土墙及木构架结构均发生了明显的平动侧移，夯土墙的薄弱部位为门窗洞口处；木构架的薄弱部位为梁柱的榫卯连接点和木柱底端。对比发现，在相同荷载作用下，木构架的水平侧移沿楼高方向始终略大于夯土墙；在相同位移下，土木结构中夯土墙承受的荷载大于木构架，在水平向两者协调变形，共同承担水平向荷载。
（9）水平荷载作用的理论分析与数值分析对比发现，理论分析的简化公式计算结果始终大于数值分析结果，原因是数值分析采用的结构约束刚度较大、受力产生的位移更小。但偏大幅度在可接受范围内，满足实际工程的精度要求,该理论分析的简化公式可以用到实际土楼的设计或修缮中去。
5.2 研究展望
本文运用ABAQUS有限元软件和理论分析两种方式，以圆形土楼侨福楼为研究对象，对土楼的土木结构协同工作机理和整体承载性能展开研究，研究过程中仍有片面与不足之处，就此对以后的研究工作给出几点建议：
（1）本文仅对圆形土楼的土木协同机理和承载性能进行了研究分析，未考虑方形土楼的纵横墙交接等因素对土木结构协同工作和承载能力的影响，在后续研究中可考虑研究方楼土木结构形式。
（2）数值分析时，夯土本构模型选用的混凝土塑性损伤模型，抗拉、抗压强度运用夯土的实验数据进行换算输入，这与实际的夯土材性的本构模型和破坏准侧仍存在差别，后续可深入研究夯土墙的本构模型与破坏准则。
（3）考虑到计算机的分析能力，将木构架的榫卯节点假设为绑定形式，使木柱木梁节点处没有滑移，后期可考虑加入摩擦滑移节点对土楼整体承载能力和抗震性能的影响。
（4）土楼土木结构的整体模型部件繁多庞大，建模时没有加入木楼盖和隔墙板，对木构架的抗侧刚度存在一定影响，以后的研究可加入木楼板和木墙板更加细致地研究夯土墙与木构架的协同工作机理。
（5）现阶段国内外对福建土楼结构特性的探究甚少，有关福建土楼的设计建造与维护修缮没有具体的规程规范，以后需要更深入的研究土楼土木混合结构的破坏机理、动力特性和抗震性能等，使福建土楼的建造与保护更加规范和全面。
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