柱底糟朽对七等材木构架抗震性能的影响

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几千年来,中国古代建筑中柱子大多都直接搁置于基础上,尽管没有任何连接而且柱础之间仅靠摩擦作用,但就是这种连接方式使古建筑拥有一定的隔震的能力。然而在外部环境因素影响下,由于木材本身材性限制,很容易发生腐朽、虫蛀、开裂等,比如木构架如果长期处于潮湿的环境中会被真菌腐蚀而糟朽,本文着重研究木结构柱底糟朽对古建筑的抗震性能的影响,所以对柱底糟朽状况下的木结构动力性能进行研究更符合实际情况。本文依据宋《营造法式》的相关规定,运用ABAQUS有限元软件建立了七等材木结构模型,根据柱底糟朽高度和弹性模量的减小来表示柱底糟朽的程度,并对模型进行水平静力加载、简谐激励和地震动激励有限元模拟试验。对不同柱底糟朽程度的木结构模型进行低周往复加载试验静力模拟试验,对柱底糟朽模型的变形特征、滞回和骨架曲线、刚度退化曲线和能量转化情况作了定量分析,结果表明:加载过程中柱底完好与糟朽的模型燕尾榫节点均发生滑移与剪切变形,随着柱底糟朽程度越大,滞回环的面积也随之减小,构架的承载力与初始刚度都随之减小,退化速率越慢,而木结构恢复力与初始刚度都随着柱顶配重升高而增大,刚度退化速率加快;输入各模型能量的转换有三种形式,即滞回耗能、重力势能和储存在木结构中的弹性变形能,其中,由于各模型中重力势能占比大,在总能量转化过程中扮演了重要角色。随着柱底糟朽程度增加,重力耗能占比越小,说明柱底糟朽降低了木结构的储能能力,然而弹性储能所占比例越大,因为柱底糟朽使木构件弹性变形增加,对于结构的抗震是不利的。对不同柱底糟朽程度的木结构模型在不同频率和振幅的简谐激励下的木结构的自振周期及其动力响应结果进行分析,结果表明:随着柱底糟朽程度增加,木结构模型周期增大,自振周期范围减小,各模型得自振周期随着柱顶竖向配重的增大而逐渐增大;在振幅为50gal简谐波作用下,随着简谐波频率越高,柱底完好与柱底糟朽模型的层间位移角越接近;当频率为0.5Hz简谐波作用下,随着糟朽程度增加,位移角加大,柱底糟朽模型滑移隔震作用越来越弱,木结构模型整体抗震性能变弱越明显。选择三条特征周期Tg值与木结构模型自振周期接近的地震波,分析木结构模型在三种不同地震波激励下的动力响应,结果表明:当地震波幅值较小时,随着柱底糟朽程度增加,相对位移峰值越大;当地震波幅值较大时,随着柱底糟朽程度增加,相对位移峰值越小;随着地震波幅值的增大,柱底糟朽模型滑移隔振作用越来越弱,柱底完好和柱底糟朽模型的普拍枋动力放大系数β2都明显减小,说明在地震激励幅值较大时,古建筑木构架燕尾榫节点的减震能发挥一定作用。
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