木結構古建筑榫卯節(jié)點力學模型與抗震加固研究.pdf

1、中國木結構古建筑以其恢弘的氣勢和獨特的結構聞名于世，成為東方建筑結構的代表，是寶貴的文化遺產，并對周邊國家建筑的產生和發(fā)展產生了深遠影響。2008年的汶川特大地震給災區(qū)古建筑帶來了前所未有的劫難，即使是抗震性能較好的木結構古建筑在地震中也出現了不同程度的損毀。其中，榫卯節(jié)點破壞是木結構古建筑常見的震害特征之一。因此，研究榫卯節(jié)點的受力機理以及相應的加固方法，對于更好地保護木結構古建筑，具有重要的理論意義和社會價值。本文通過理論分析，對直

2、榫節(jié)點的力學模型進行了研究，并對采用阻尼器加固榫卯節(jié)點的方法進行了探索。主要研究內容和成果如下:
　　 首先，詳細分析了直榫節(jié)點在一個加載循環(huán)（正向加載、正向卸載、反向加載和反向卸載）內，榫頭及卯口的受力情況，考慮了木材受壓非線性和拔榫量的影響，推導出直榫節(jié)點M-θ理論模型。通過理論分析和matlab編程繪圖表明，該理論模型曲線與相關試驗曲線在極值、發(fā)展趨勢及拐點等各方面均吻合較好;直榫榫頭上下表面對抗彎剛度貢獻最大，而大榫頭端

3、部貢獻很小。通過力學分析和對數學求解，得到了直榫節(jié)點M-θ理論曲線的各特征點，并給出了簡化計算模型。
　　 其次，在有限元分析中，將榫卯節(jié)點簡化為6個方向的變剛度彈簧，建立相同尺寸分別采用燕尾榫和直榫的柱架，輸入相同的地震波模擬振動臺試驗，當地面加速度較小時，二者柱架柱頭動力放大系數相差不多，而當地面加速度較大時，直榫柱架動力放大系數明顯大于燕尾榫柱架，表明相同尺寸的直榫剛度和承載力均大于燕尾榫，這與相關試驗結論相符。
　

4、　 然后，分別建立未加固、用扁鋼加固、用CFRP加固和用阻尼器加固榫卯節(jié)點的柱架有限元模型，計算得出柱頭動力放大系數從大到小依次為扁鋼加固柱架、CFRP加固柱架、未加固柱架和阻尼器加固柱架，說明用扁鋼加固和用CFRP加固榫卯節(jié)點，均在不同程度上增大了節(jié)點剛度，增大了整個結構的動力響應，對結構不利，而用阻尼器加固榫卯節(jié)點，僅對柱架的高階模態(tài)有所影響，并且降低了結構整體動力響應。研究還表明，阻尼器的阻尼取值并非越大越好，而是存在最優(yōu)值。<

5、br>　　 最后，應用本文推導出的直榫節(jié)點M-θ理論曲線，建立青城山黃帝殿的有限元模型，計算表明，由于該結構只有一側有石墻裙，使得結構剛度不對稱，產生了較強的扭轉作用，導致該結構一層角部挑檐梁以及石墻裙附近磚柱與礎石相連處內力較大，這與實際震害產生的位置相吻合，將實際情況加固（采用鋼板加固榫卯節(jié)點）和模擬用阻尼器加固榫卯節(jié)點的黃帝殿模型進行了對比，研究表明，現有用鋼板加固榫卯節(jié)點的方法，會導致結構大部分節(jié)點內力增加，地震響應增大，加固