七等材木结构斗栱--梁--柱构架的拟静力计算分析

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古建筑木结构是华夏文明的重要组成部分。此类建筑通过预先加工好的木构件榫卯装配而成,千百年来历经大震而不坏,具有优秀的抗震性能。研究古建筑木结构的抗震机理和力学性能,对现存古建筑的保护和修复具有重要作用,也对现代建筑结构的研究具有一定的借鉴作用。
  本文基于《营造法式》中的相关规定,通过Abaqus有限元分析软件建立了宋式七等材斗栱模型,以及梁柱节点分别为燕尾榫和十字箍头榫的两种单榀木构架模型,在三级竖向荷载作用下进行拟静力循环往复位移加载,计算考虑材料弹性、屈服应力和几何非线性。分析了模型的变形特征、滞回性能和能量反应,得到以下主要成果:
  (1)柱架层在加载中发生摇摆变形,使结构的竖向位移产生变化;斗栱层模型的变形方式与加载位移的幅度有关,位移较小时以弹性变形为主,随着位移的增大,斗栱产生转动;虽然斗栱层的变形性能良好,但由于刚度远大于柱架层,因此在整体木构架中始终处于弹性阶段,呈现类似于刚体的平动。
  (2)斗栱层的滞回曲线呈较饱满的“弓”形,抗侧刚度和耗能能力都相对较高,但是在木构架中难以发挥全部承载力;木构架的滞回曲线为“S”形,当梁柱节点为燕尾榫时,变形和耗能能力相对更高,当梁柱节点为十字箍头榫时,结构的刚度更大。
  (3)拟静力条件下,输入结构的总能量可以转化为摩擦耗能、弹性应变能、塑性应变能和重力势能,其中摩擦耗能和塑性应变能都是结构消耗的能量,可用滞回耗能进行表示。弹性应变能在加载位移较小时占比较高,对十字箍头榫节点的影响更明显;滞回耗能在加载阶段占比较小,但是在模拟实验期间均持续消耗;重力势能在位移较大时占比超过50%,是结构最重要的能量转化方式。这种木柱摇摆-梁柱节点耗能的混合摇摆机制可以极大程度地减小木构件在地震中的损坏,使结构具有优秀的连续抗震能力。
  (4)Abaqus数值模型可以较好地反映实际条件下木结构的变形特征和力学性能,而且能够获得实际实验中较难或不能获取的应变能和摩擦耗能,具有较大参考价值。
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