藏式古建筑木结构叠合梁—柱节点的受力性能研究

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古代建筑具有极高的历史、文化、艺术及科学价值,是世界文明的重要组成部分。古代建筑建造年代久远,在不利环境长时间的影响下,例如材料性能的退化以及地震、温度、腐蚀等外部作用,构件、结构的承载能力、稳定性和安全性均会下降,结构安全受到威胁。现存中国古建筑木结构有一类常见的梁柱节点,这类节点是由水平构件层层叠摞而成,通过木销定位,以抵抗竖向荷载作用。梁柱节点的刚度是古建筑木结构分析的重要参数,体现了节点抵抗变形的能力。现阶段,在荷载作用下,尤其在地震作用下,这类节点的力学性能尚不明确。因此,有必要构建这类节点的有限元模型,以便用于评估古代建筑在荷载作用下的力学性能。本文研究了中国古建筑木结构叠合梁-柱节点有限元模型在拟静力荷载作用的力学性能,主要的工作成果如下:参考西藏古建筑木结构梁柱节点的结构特点,考虑到节点任意两层水平构件之间的构造相同,从梁柱节点中选取两层水平构件简化为双层悬臂梁体系,分别基于Euler-Bernoulli梁理论和Timoshenko梁理论建立其解析模型。由于双层悬臂梁模型在荷载作用下接触面连接件(暗销)处可能发生一定范围的滑移,该解析模型考虑了接触面上摩擦-滑移-暗销剪切的影响,并根据两层梁之间的摩擦状态和暗销受剪切情况分为4种变形情况。建立的解析模型可用于评估双层木梁的刚度,并且,暗销的滑移-剪切力学性能对于研究双层梁体系的力学机理具有重大的意义。推导了均布荷载作用在梁上部的双层梁体系等效梁单元模型。根据有限元理论,等效梁单元是由上述双层悬臂梁解析模型在不同荷载作用下的变形推导得到。得到等效梁单元的方法由传统Euler-Bernoulli梁单元进行验证。通过该方法可以不通过试验直接得到具有不同几何、材料参数的双层梁体系。将上述的双层梁等效梁单元模型扩展为求解中国古建筑木结构中含有三层水平构件的梁柱节点有限元模型。对于三层梁体系,可认为由多个双层梁模型组成,此时即可利用双层梁等效梁单元模型进行求解。利用拆分前、后水平构件在相同荷载作用下的应变能和变形分别相等的原则,验证了该方法。再根据梁柱节点结构对称性,由含三层构件梁体系模型扩展得到该类木结构梁柱节点的有限元模型。节点模型具有接触面上摩擦-滑移-剪切的高度非线性特点。最后,研究了含三层构件梁柱节点的木框架在拟静力荷载作用下的变形响应,以便评估古建筑木结构的力学性能和耗能能力。本文提出的含三层构件梁柱节点有限元模型的构建方法具有普遍性,可得到含多层构件梁体系的有限元模型。另外,各类模型均分别基于Euler-Bernoulli和Timoshenko梁理论研究的,由此可应用至不同跨高比构件的结构分析中。因此,本文研究的模型具有较好的实用性和推广价值。
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