四铺作插昂造斗拱的材料与结构性能研究

来源 :南京林业大学 | 被引量 : 4次 | 上传用户:mercurian88
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“斗拱”作为建筑木构架梁栿与立柱之间过渡的重要构件,是中国古建筑特有的技术成就,同时也是美化建筑的一种重要的装饰艺术。中国传统古建筑斗拱在不同历史时期、地域工艺技术、应用位置与结构承载的差异性,导致仅现存历史建筑及文献资料可查的斗拱类型数目就相当庞大。相较而言到目前为止有关传统木结构斗拱结构性能的基础力学研究仍相当有限。同时在世界范围内大径级木材资源的不断消耗紧缺的背景下,本论文旨在已有振动台试验的基础上,通过拟静力试验及力学模型模拟等手段,分析斗拱节点的独特结构行为与抗震机理,并探索以胶合木为代表的现代工程木质材料应用于中国传统建筑构件的结构性能。以甪直保圣寺天王殿柱头处明式“四铺作插昂造”斗拱形制为参考,选取国产松木、加拿大铁杉胶合木两种材料制作独立斗拱无缩尺模型,并分别在0.8t、1.6t、2.4t三级竖向荷载条件下进行低周反复加载试验。试验结果表明:(1)斗拱在基本弹性阶段水平(抗侧)刚度与竖向荷载存在正相关性,随着竖向荷载的增大,斗拱的抗侧刚度也随之增大,但斗拱的耗能能力基本保持不变;在进入弹塑性变形阶段后斗拱抗侧刚度快速衰减,但随着斗拱残余变形不断增大,其耗能能力也随之提升;斗拱的整体变形以转角变形为主,其中栌斗的转角变形在斗拱整体变形中占主导地位,该结论也与前期完成的松木斗拱的振动台试验结果相互印证。(2)在材料性能方面,木材自身的弹性模量、横纹抗压强度,以及胶合木材料的胶合剪切强度是决定栌斗承载能力和稳定性的重要参数;受到材料自身强度限制,加拿大铁杉胶合木斗拱的抗侧刚度、侧向承载强度均低于国产松木斗拱,此外胶合木材料应用于斗拱主要构件上时,斗拱的工作状态及破坏现象较为稳定,耗能作用也更强;但应用在榫卯连接处时,胶层位置和木纹方向的差异性对榫剪切及抗压性能影响较大;(3)从斗拱的细部构造角度,华拱-插昂构件连接处的离缝和偏移易导致斗拱整体受力状态不平衡,特别是在拉向荷载作用下斗拱整体变形加剧,但同时也有助于斗拱节点耗能能力的提升。在藤田香織和北守顕久等学者已有的斗拱相关剪切刚度与转角刚度分析理论基础上,基于“刚性楼板假定”将斗拱抽象为一维弹簧近似模型,逐层推导斗拱各结构层弯矩-转角刚度及剪切-滑移刚度,最终整理叠加求得斗拱整体水平抗侧刚度与两种材料斗拱侧向荷载-滑移曲线与试验实测值取得了较高的一致性。
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