基于土—結構相互作用的古建筑動力性能分析

來源: www.1081492.live 發布時間:2020-01-01 論文字數:41144字
論文編號: sb2019121109590528811 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是一篇建筑論文,本文以聊城市光岳樓為研究對象,基于土—結構相互作用,采用 ANSYS 的 APDL語言,對其進行了動力性能分析。

第一章 緒論

1.1 研究背景與意義
作為中華文化的瑰寶,中國古代建筑具有極高的歷史、文化、藝術和科學研究價值。許多專家學者致力于古代建筑的發掘研究,在建筑歷史、形式、藝術、構造等其它方面獲得了豐富的研究成果。
國務院公布的 4296 處全國重點文物保護單位中,古代建筑占 1882 處,并且基本以木結構作為主要承重體系[1]。山東省淄博市顏文姜祠是我國目前發現的尚存的最古老的木結構古代建筑[2],距今已經一千二百多年。南京靈谷寺的無梁殿與蘇州開元寺的無梁殿是僅存的非木結構建筑物[2]。
古代木結構建筑與現代木結構建筑均采用木材作為主要結構材料。不同的是,古代木結構建筑連接方式、構造方法獨特,結構特性鮮明。具體表現在:
(1)柱網布置均勻對稱;(2)平面形狀規則、簡單;(3)柱平擺浮擱于柱礎石之上,臺基平面高出自然地坪;(4)梁架各構件之間采用不同形式的榫卯連接;(5)在梁架屋蓋與柱架之間設置斗栱(鋪作)層;(6)采用碩重的大屋頂。
長期的風吹雨打、戰爭、地震等破壞導致大多數木結構古建筑不可避免地出現了部分結構損壞、承載力不足等危險。其中,地震對木結構古建筑的損害幾乎是致命的。

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1.2 問題的提出
目前,研究木結構古建筑的抗震性能所建立的有限元模型基本分為兩類,①只包括上部木結構的模型,②包括上部木結構與高臺基的組合模型。計算時大多采用剛性地基假定,即忽略了地基土體的阻尼作用。但是,剛性地基假定僅適用于剛度較小或基礎剛度較大的結構。由于中國木結構古建筑多建立在剛度較大的高臺之上,剛性地基假定會對有限元分析的結果產生較大的誤差。
因此,只有建立符合實際情況的木結構古建筑模型,進行有效的抗震性能分析,才能更好地反映木結構古建筑在地震作用下的響應情況。
本文以光岳樓木結構為研究對象,探討土—結構相互作用對古建筑動力性能的影響,以期對古建筑后期修繕保護工作提出合理化的建議。
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第二章 有限元模型建立

2.1 光岳樓概況及地質情況
2.1.1 光岳樓概況
光岳樓,如圖 2. 1 所示,建于明洪武七年(公元后 1374 年),地處山東省聊城市東昌府區古城中央[38]。1988 年,光岳樓被列為國家重點文物保護單位。

光岳樓是一座四重檐多角十字脊歇山頂建筑,自地平面至結構頂高 34.34m,占地面積約 1236m2。其中,四層木結構主樓坐落在高臺基之上。
正四棱臺體狀高臺基中心垂直高 9.38m,下底面邊長 34.43m,上底面邊長 31.62m。四個側面的正中間分別辟有一道寬 5.76m、腳趾高 2.90m、矢高 2.88m 的半圓拱門。
四層木結構主樓中心垂直高 24m,含有 200 朵斗拱、192 根金柱。一層方形樓身面闊、進深各為 7 間,明間為 4.04m 至 4.09m 不等,次間 2.80m 至 2.88m 不一;二層平面同一層,面闊、進深仍為 7 間,但近間尺寸縮減為 1.16m 至 1.26m 不等;三層低矮較暗,面闊、進深各 5 間;四層樓面縮減,面闊、進深各 3 間,明間 5.66m,次間 2.05m,如圖 2. 2~圖 2. 7 所示。

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2.2 光岳樓木結構模型(T 模型)的建立
2.2.1 梁、柱等構件
光岳樓采用木質構件承重,墻壁只起圍護與隔檔的作用,因此這種結構形式類似于框架結構形式,梁、柱為承重構件。
本文模擬光岳樓的木柱、木梁時,采用 ANSYS 軟件中 BEAM188 單元,單元幾何如圖 2. 15 所示。

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第三章 地震反應分析.......................................30
3.1 模態分析.....................................30
3.1.1 模態分析理論................................30
3.1.2 T 模型模態分析結果.........................................30
第四章 基于 IDA 法的抗倒塌性能分析................................59
4.1 木結構古建筑倒塌破壞判定準則.............................59
4.1.1 柱腳滑移倒塌機制......................................59
4.1.2 柱架層間倒塌機制...................................60
第五章 結論與展望.............................................67
5.1 本文的主要結論................................67
5.2 展望............................................68
第四章 基于 IDA 法的抗倒塌性能分析

4.1 木結構古建筑倒塌破壞判定準則
判定建筑在地震作用下發生倒塌破壞的兩類準則分別為:①首次超越破壞;②累計損傷破壞。首次超越破壞是指在地震作用下,結構的某一響應首次超過其規定限值導致結構發生倒塌;累計損傷破壞是指在多次地震激勵下,結構自身性能逐漸退化導致結構發生倒塌。
考慮到木材本身具有不確定性,加上自然破壞、人為破壞等因素,現存古建筑多數年久失修,已經處于較危險的狀態,本文采用首次超越破壞準則。
柱腳相對地面的位移過大,或者柱架側移變形過大,易引發木結構古建筑發生落架破壞或層倒塌破壞。鑒于此,本節主要研究以上兩種倒塌破壞機制。
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第五章 結論與展望

5.1 本文的主要結論
本論文以聊城市光岳樓木結構為研究對象,采用 ANSYS 的 APDL 語言建立光岳樓木結構(T 模型)、木結構+高臺基(T-P 模型)、木結構+高臺基+地基土(T-P-S)三種不同有限元模型,并對三種模型進行模態分析與地震反應分析,研究土—結構相互作用對木結構古建筑地震響應的影響;以所建立的包括上部木結構、高臺基和地基土的光岳樓整體有限元模型為例,探討了相應參數變化對古建筑整體抗震性能的影響;結合古建筑木結構的特點,對光岳樓有限元模型進行動力非線性分析,探討了木結構古建筑可能出現的倒塌機制。其主要結論有:
(1)建立整體有限元模型時,地基土體的平面尺寸可取 3 倍以上高臺基平面尺寸,高度可取 3 倍以上高臺基高度。
(2)模態分析結果表明:考慮土—結構相互作用時,結構的自振頻率減小,周期增長;土—結構相互作用對結構高階自振頻率的影響大于低階自振頻率的影響;考慮土—結構相互作用時,采用的振型階數應大于 6 階,對整體的分析才較為合理。
(3)地震反應分析結果表明:三條地震波作用下 T-P-S 模型通柱柱頂節點、變截面處節點的水平位移和加速度響應均大于 T 模型、T-P 模型;隨著樓層高度的增加,各樓層相對柱腳位移逐漸增大,其中頂層相對位移和層間位移角均大于一至三層。因此在進行相應分析時,應考慮地基土體對上部結構的影響。
(4)參數分析結果表明:隨著榫卯節點剛度的增大,自振頻率逐漸增大,地震作用下結構的峰值加速度逐漸增大;節點剛度越小,地震作用下柱架側移量越大;屋蓋質量越大,結構的自振頻率越小,柱頂節點位移峰值逐漸增大,峰值加速度逐漸減小,結構受到的地震慣性力越大。因此,在建立木結構古建筑有限元模型時,需對榫卯節點的剛度,屋蓋的質量進行合理取值。
(5)抗倒塌性能分析結果表明:對于低頻成分較多的地震波,當 PGA>950gal時,木結構古建筑可能發生柱腳滑移倒塌破壞,而僅當 PGA>400gal 時,結構可能發生層間倒塌破壞;依據“PGA 最小”原則,層間倒塌破壞是木結構古建筑最可能出現的倒塌機制。
參考文獻(略)

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