足尺宋式单跨木构架抗震性能的试验与理论研究

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传统木结构是华夏文明的载体,具有重要的文化和科学研究价值,而地震是引起传统木结构结构破坏的主要因素之一,木结构抗震性能的探究迫在眉睫。本文对宋式单跨木构架的抗震性能展开了试验与理论探究。对典型的宋式单跨木构架进行拟静力试验,分析木构架在水平循环荷载下的变形和受力特征,在试验分析的基础上对宋式木构架在水平循环荷载下表现出的恢复性,进行量化评估;在试验中观测到的结构变形、受力特征基础之上,建立宋式传统木构架的动力理论分析模型,探究水平加速度作用下宋式单跨木构架的初始动力响应并分析其影响因素;在摇摆木构架理论分析模型的基础上,进一步考察了水平与竖向加速度共同作用下摇摆木构架的初始运动状态。得到的主要结论如下:(1)依《营造法式》设计的宋式单跨木构架的拟静力试验,得到了宋式单跨木构架的滞回曲线、骨架曲线、刚度退化曲线和粘滞阻尼系数,结果表明:木构架具有良好的变形能力(层间位移角达1/23),然而其刚度和耗能能力较弱。同时,考察单跨木构架的位移恢复系数、初始刚度和层间位移集中系数。位移恢复系数介于0.85和1之间,木构架具有良好的位移恢复能力。初始刚度退化仅在水平位移小于屈服位移时,较为显著。层间位移集中系数在1.22和1.68之间全部大于1,即柱架层是木构架在水平荷载下变形集中的区域。(2)建立能够表征宋式单跨木构架摇摆特征的动力理论分析模型,得到了其在水平加速度下初始运动状态的分布规律并讨论对其产生影响的因素,柱底摩擦系数(介于0.3至0.9之间),高径比(介于6至20间)和质量比(介于0至112之间)。初始运动状态有四类,分别是:相对静止、相对滑移、摇摆和滑移摇摆。同时,进行了121组有限元模型的时间历程分析,得到121组模型的初始运动状态数值分布,其结果与初始运动状态的理论分布一致。(3)在本文宋式单跨木构架理论分析模型的基础上,同时施加水平与竖向加速度,得到了水平与竖向加速度耦合作用下木构架的初始动力响应分布。通过与水平加速度作用下初始运动状态的比较,发现了竖向加速度对木构架初始运动状态的影响显著,以水平与竖向加速度构成的组合系数,讨论了摇摆木构架的初始动力响应,以柱子质量、半径和质量比为循环组探讨了初始运动状态的无量纲化分布。并通过588组非线性有限元模型,验证这一理论模型的有效性。(4)本文所提出的木构架摇摆动力分析理论与数值模型,能够刻画宋式单跨木构架在水平与竖向加速度作用下初始运动状态的分布,可作为宋式摇摆木构架动力响应相似性探究的理论依据,能够为宋式摇摆木构架动力试验方案的设计及其动力特性的深入探究提供参考。
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