【摘 要】
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古建筑木结构是古代人民和建筑匠人们智慧的结晶,是宝贵的文化遗产。然而木材经历几百年甚至上千年的服役,不免会产生裂纹、变形和材性劣化等损伤,不利于结构的稳定性,因此对木结构的力学性能研究和修缮加固具有重大意义。本文依据宋《营造法式》的记载,利用Abaqus软件建立五等材单跨木构架有限元模型,并通过改变木材材性参数的方式模拟榫卯节点和柱脚的材性劣化,通过拟静力往复加载和简谐波加载分析木构架的力学性能,
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古建筑木结构是古代人民和建筑匠人们智慧的结晶,是宝贵的文化遗产。然而木材经历几百年甚至上千年的服役,不免会产生裂纹、变形和材性劣化等损伤,不利于结构的稳定性,因此对木结构的力学性能研究和修缮加固具有重大意义。本文依据宋《营造法式》的记载,利用Abaqus软件建立五等材单跨木构架有限元模型,并通过改变木材材性参数的方式模拟榫卯节点和柱脚的材性劣化,通过拟静力往复加载和简谐波加载分析木构架的力学性能,得到主要成果如下:(1)通过对完好模型和榫卯节点材性劣化模型进行拟静力往复加载,分析了三级配重下木构架模型的受力和变形、滞回特性、刚度和耗能情况。结果表明,木构架耗能能力较弱,但具有较好的延性,能够产生较大的水平位移而不致倒塌;随着竖向配重的增大,结构刚度和滞回耗能量增加,滞回耗能占输入能量比率减小;榫卯节点拔榫量随节点劣化程度的增加而增大,结构的刚度、输入总能量、滞回耗能量和耗能占比均随榫卯节点劣化程度的增加而降低。通过与已有试验对比验证了Abaqus数值模型的有效性。(2)对完好模型施加不同频率、强度的简谐波激励,分析结构的加速度响应和位移响应。结果表明,低频率的简谐波激励较高频率的简谐波激励能引起更大的结构加速度响应和位移响应;在加速度响应方面,结构在较大强度的简谐波激励下更能发挥减震作用;结构的位移响应随简谐波激励强度的增大而增大。(3)通过对柱脚劣化模型进行拟静力往复加载,分析柱脚的不同程度劣化对结构受力、刚度和耗能情况的影响。结果表明:结构的柱脚应力和刚度随柱脚劣化程度的增加而减小,5t、10t和15t配重下结构的初始刚度降低比例最大分别达到了12.72%、12.31%和27.44%;输入总能量随柱脚劣化程度的增加而降低,柱脚劣化对结构的滞回耗能量影响不大;加载前期,滞回耗能占比随柱脚劣化程度的增加而降低,加载中后期,滞回耗能占比随劣化程度的增加而增加;三级配重下结构的输入总能量、滞回耗能量和耗能占比随柱脚劣化程度的变化规律总体相似。(4)对柱脚劣化模型施加不同频率、强度的简谐波激励,分析柱脚的不同程度劣化对结构自振特性、加速度响应和位移响应的影响。结果表明,结构的自振周期随柱脚劣化程度的增加而增大,竖向配重增加,结构自振周期对于柱脚劣化的敏感度降低;结构柱顶加速度响应随柱脚劣化程度的增加而减小;激励强度小于等于200gal时,随着柱脚劣化程度的增加,柱侧移角呈现出先增大后减小的趋势;激励强度为300gal时,柱侧移角随柱脚劣化程度的增加而增大。
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