多层殿堂式木结构古建筑尚友阁的结构及抗震性能研究-防灾减灾工程及防护工程专业论文.docx

西安建筑科技大学硕士学位论文 西安建筑科技大学硕士学位论文 西安建筑科技大学硕士学位论文 西安建筑科技大学硕士学位论文 多层殿堂式木结构古建筑尚友阁的结构及抗震性能研究 专 业：防灾减灾工程及防护工程 硕 士 生：李鹏飞 指导教师：高大峰 摘 要 中国木结构古建筑是中国历史文化的宝贵遗产，几千年来它不断丰富、发展，形成 了博大精深的、迥异于世界任何其它建筑体系的独特奇观。本文以双层殿堂式木结构古 建筑尚友阁为研究对象，通过模型建立、软件分析和数据处理，对其结构与抗震性能做 深入的研究。 首先，本文对榫卯连接、斗栱（铺作层）及柱脚连接进行了相应的研究。文中该部 分首先总结了以往相关研究成果，给出了榫卯节点刚度简化计算公式、斗栱在水平荷载 和竖向荷载作用下的 P-Δ模型、斗栱在水平和竖向地震作用下的运动方程以及柱脚与柱 础间的连接特点。然后借助 ANSYS 有限元软件，运用非线性接触单元建立榫卯连接和 柱脚与柱础间连接的有限元模型，运用杆件单元与弹簧单元建立斗栱有限元模型。通过 软件分析与数据处理，推导出榫卯节点各方向的刚度数值，验证了整体模型中斗栱建模 方式的合理性以及柱脚连接在不同等级地震力作用下的位移特点。 其次，本文运用 ANSYS10.0 软件建立二层殿堂式木结构古建筑尚友阁的整体有限 元模型及其对应的钢筋混凝土结构仿古建筑有限元模型，通过静力与动力分析，研究多 层殿堂式木结构古建筑的结构特点与抗震隔震性能。其中，木结构模型的榫卯连接、柱 脚与柱础间连接以及斗栱中斗与栱类构件的连接均采用 Combin14 组合弹簧单元模拟， 柱、梁、枋、椽等主要受力构件均采用 Beam44 单元模拟。 （1）通过静力分析，可以看出尚友阁结构匀称、受力均匀合理。同时两个模型均 远未达到各自的材料强度。初步证明中国木结构古建筑各构件在正常使用状态下有较大 的强度裕度，木材基本处于弹性阶段。 （2）通过模态分析，得出两模型的前十阶振型及周期。通过对比发现，尚友阁木 结构模型的自振周期比其对应的钢筋混凝土结构仿古建筑模型的自振周期要大很多，前 三阶周期高达八倍左右。说明木结构古建筑特殊的结构特点及材料属性，使其具有较好 的延性，对结构自身抗震有利。 （3）通过对尚友阁木结构有限元模型及其对应的钢筋混凝土结构仿古建筑有限元 模型的时程分析，得到不同位置处（2-C 柱对应的柱脚、一层标高、柱顶以及屋顶脊槫 处）节点的位移与加速度时程曲线。通过对数据分析与整理，发现木结构古建筑具有很 好的隔震性能，其中柱脚、梁架、斗栱每层都具有很好的减震隔震效果，加速度峰值从 低到高逐层递减，整个建筑的总动力系数在 0.47 左右。而混凝土结构仿古建筑有限元模 型的加速度峰值从低到高却逐层增加，在 70 gal Taft 波作用下，一层标高处加速度峰值 达到木结构模型的 7 倍之多，柱顶甚至达到 15 倍。 通过两个模型的分析比较可以深刻地体现出：多层殿阁式木结构古建筑由于具有柱 脚与柱础间浮摆式连接、梁柱间的榫卯连接、斗栱连接这三种构造特点以及木材特殊的 材料属性，使得该类建筑具有很好的延性特点，在传递地震激励时层层减震，达到很好 的减震耗能效果，体现出“以柔克刚”的防震理念。 本文分析及计算结果为中国木结构古建筑的维修加固和保护提供了理论依据。 关键词：中国木结构古建筑；多层殿阁式木结构古建筑；钢筋混凝土结构仿古建筑；榫 卯连接；柱脚连接；静力分析；动力分析 论文类型：应用基础研究 基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目（12JK0899）；陕西省教育厅专项科研项目 （2010JK635）；陕西省重点学科建设专项资金资助项目（E01004） Study on the Structural and Seismic Performance of Multi-storey Ancient Chinese Timber Structure Shangyou Tower of Palace Style Specialty: Disaster Prevention＆Mitigation and Shelter Engineering Name: Pengfei Li Instructor: Dafeng Gao Abstract The ancient Chinese timber structure is an invaluable heritage of Chinese history and culture, which is constantly enriched and developed for thousands of years, becomes profound and unique architectural wonders. It not only h