木结构古建筑结构特性的计算研究.pdfVIP

第18卷第1 期 工 程 力 学 Vol.18 No.1 2001 年 2 月 ENGINEERING MECHANICS Feb. 2001 文章编号 1000-4750(2001)01-137-08 木结构古建筑结构特性的计算研究 1 2 3 3 4 方东平 俞茂鋐 宫本裕 岩崎正二 彦坂熙 (1. 清华大学土木工程系,北京100084; 2. 西安交通大学建工系,西安710049; 3. 日本岩手大学工学部建设环境工学科, 盛冈, 日本 4. 日本九州大学工学部土木工学科, 福冈, 日本) 摘 要 对蕴藏丰富历史文化信息的中国古建筑的研究和保护是抢救中华文化遗产的重要内 容 本文在木结构古建筑结构特性实验研究的基础上 通过定义和引入反映木结构古建筑斗栱 与榫卯节点特性的半刚性节点单元 建立适合木结构古建筑特点的3 维有限元计算模型和分析 方法 研制了有限元动力分析软件 SAFATS 利用现场实测和模型实验结果 采用 Simplex 方 法反演推断半刚性节点平均刚度的范围 通过有限元动力计算以及与现场实验和模型实验结果 的对比分析 获得了西安北门箭楼的前6 阶振动模态 关键词 木结构 古建筑 半刚性节点 有限元 动力特性 中图分类号 TU366 文献标识码 A 1 前言 中国古建筑是中华文明的重要组成部分 尤其是木结构古建筑 数量众多且蕴含丰富 的历史文化信息 随着时间的推延 其结构抗力日渐衰退 对这类文物的保护已是刻不容 缓 木结构古建筑虽然可被视为一种梁柱结构体系 但斗栱和榫卯等连接方式使其具有显 [1] [2] 著特点 梁思成 曾对中国木结构古建筑进行了大量调查研究 主要从建筑和结构形式 [3] [4] 上进行解读分类 马炳坚 对这类建筑的营造方法和结构特点进行了系统归纳 王天 对以 结构自重为主的纵向荷载传递路径及其在各构件中的分配进行了探讨 但以上研究均未涉 及动力学方面的内容 更没有用有限元方法进行过3 维动力分析 而在中国及日本等地震 多发地区 木结构古建筑的抗震保护显得尤为重要 [5] 本文在木结构古建筑结构特性实验研究 的基础上 通过定义和引入反映木结构古建 筑斗栱与榫卯节点特性的半刚性节点单元 建立针对木结构古建筑的 3 维有限元计算模 型 编制了3 维有限元动力及地震响应分析程序 SAFATS 对西安北门箭楼的动力特性进 收稿日期 1999-05-29 修订日期 1999-06-10 作者简介 方东平(1963) 男 副教授 博士 从事结构工程和工程管理研究 万方数据 138 工 程 力 学 行了深入分析讨论 2 木结构古建筑的有限元计算模型 尽管许多木结构古建筑有砖墙作为维护结构 但它们并不承担竖向荷载 并且由于木 构件通风防腐的要求 木结构与维护结构之间均留有间隙 因此本研究在不考虑砖墙对木 结构特性影响的条件下 采用杆件单元和半刚性单元建立木结构古建筑的有限元模型 下 文介绍的建立有限元计算模型的方法适用于