抬梁、穿斗式木构架结构性能试验研究

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抬梁式、穿斗式木构架作为中国古代大型木构架建筑的代表,在中国古建筑历史上占有非常重要的地位。抬梁式广泛用于宫殿、寺庙等大型建筑,穿斗式则是在南方地区非常普遍。迄今很多研究认为这两类木构架具有良好的力学性能。为了探讨抬梁、穿斗式木构架力学性能。本文根据历史文献记录,以明清抬梁式、穿斗式木构架为原型,通过结构实际受力情况确定试验模型,按照清代工部《工程做法则例》和南捕厅实测数据,制作二榀1:1.76木构架缩尺模型。木构架模型榫卯节点,采用马炳坚先生所著《中国古建筑木作营造技术》中记载的方法。根据古建筑木构架与柱础、柱顶的连接条件,对试件的边界条件和加载方式进行了合理假定,对该二榀木构架模型进行了水平单调加载力学性能试验研究。试验现象表明脱榫是木构架模型破坏的主要形式,梁、柱构件变形较小,未出现受压破损;在水平单调荷载作用下,节点拔榫量、转角随着控制位移的增大而不断增加,抬梁、穿斗木构架具有良好的变形能力,木构架整体性能较好,穿斗式整体性优于抬梁式。通过分析木构架荷载.位移曲线,确定了木构架峰值荷载,极限位移等,在加载位移相同情况下,抬梁式先于穿斗式达到峰值荷载。采用大型有限元分析软件ABAQUS12.0对本次试验所采用的二榀木构架进行了受力分析。榫卯节点通过加入连接器单元来模拟木构架的半刚性特性,榫卯节点半刚性参数运用现有的研究成果,得出了木构架的整体变形图、内力图及各榫卯随加载位移的转角及内力变化。通过荷载.位移曲线模拟结果与试验结果对比,得出ABAQUS模拟与试验结果吻合良好,计算精度高。并从模拟结果中得到抬梁、穿斗木构架中榫卯先后进入屈服的顺序,比较两类木构架进入屈服的不同。通过与试验结果对比分析,本文认为《古建筑木结构维护与加固技术规范》针对抬梁、穿斗木构架侧移残损点界限过于保守,本文将抬梁式木构架残损点定义为160mm,穿斗残损点定义到200mm。根据试验现象与有限元模拟结果对这两类木构架进行了理论分析,通过对屋盖的简化以及对部分榫卯节点铰接假定,得出了一般木构架简化分析模型,分析推导得出木构架抗侧刚度,并推导了不同节点梁单元的转角位移方程,以及柱的计算长度,对竖向荷载产生的二阶效应进行了分析,对木构件进行了弹塑性分析。通过对明清木构架的静力试验研究及有限元分析,得到的试验与理论数据分析结果具有理论意义和工程实用价值。
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