應(yīng)縣木塔典型節(jié)點(diǎn)及結(jié)構(gòu)受力性能研究.pdf

1、應(yīng)縣木塔建于遼清寧二年(公元1056年),距今已有近千年歷史,是我國(guó)現(xiàn)存最古老和最高的木構(gòu)塔式建筑,也是唯一一座木結(jié)構(gòu)樓閣式塔。木塔歷經(jīng)近千年滄桑,經(jīng)受了多次強(qiáng)烈地震和人為破壞而巍然屹立,向世人展現(xiàn)著中國(guó)燦爛的文明。但也應(yīng)看到,歷經(jīng)千年的木塔,其結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯壓縮、傾斜與扭轉(zhuǎn)變形,其中構(gòu)件橫紋承壓破壞和受彎產(chǎn)生嚴(yán)重變形與損傷,木構(gòu)件開(kāi)裂和老化,尚有遭受炮擊等人為損傷,且這些情況有隨時(shí)間增長(zhǎng)而惡化的趨勢(shì)。木塔亟待進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)估和維修。然

2、而應(yīng)縣木塔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,結(jié)構(gòu)體系及其傳力路徑不甚明確、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及傳力機(jī)理不明晰。本文在全面結(jié)構(gòu)調(diào)查的基礎(chǔ)上,對(duì)木塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)解讀,開(kāi)展其典型節(jié)點(diǎn)性能試驗(yàn)研究與有限元分析,并進(jìn)行木塔整體結(jié)構(gòu)精細(xì)化有限元分析,以對(duì)木塔結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估乃至維修加固提供重要依據(jù)。
　　基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,對(duì)應(yīng)縣木塔進(jìn)行了結(jié)構(gòu)體系分析。木塔為“層疊式半剛性連接多層超靜定結(jié)構(gòu)”。從結(jié)構(gòu)角度對(duì)木塔斗栱、梁柱節(jié)點(diǎn)和柱腳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了歸類。用工程力學(xué)的觀點(diǎn),分析了古建筑木結(jié)構(gòu)特

3、有的“側(cè)腳”和“生起”的結(jié)構(gòu)作用。
　　通過(guò)豎向單調(diào)加載試驗(yàn)和水平低周循環(huán)加載試驗(yàn),研究了應(yīng)縣木塔典型斗栱節(jié)點(diǎn)模型、梁柱節(jié)點(diǎn)和柱腳節(jié)點(diǎn)模型的承載力和剛度?；谠囼?yàn)結(jié)果和相似理論,估算了木塔典型斗栱原型、梁柱節(jié)點(diǎn)和柱腳節(jié)點(diǎn)原型的受力性能。在豎向荷載作用下,斗栱節(jié)點(diǎn)主要通過(guò)耍頭、華栱、栱枋、散斗和櫨斗傳遞荷載,其受力機(jī)理與木材橫紋承壓工作相似。在水平荷載作用下,斗栱節(jié)點(diǎn)主要以各道栱枋抗彎的形式傳遞荷載,其受力機(jī)理與木材受彎工作相似。梁

4、柱節(jié)點(diǎn)主要通過(guò)木柱卯口與闌額榫頭間的橫紋承壓將水平荷載傳至闌額上,使闌額受扭和橫紋承壓,并使木柱卯口處橫紋受拉,普拍枋橫紋承壓。柱腳節(jié)點(diǎn)則主要通過(guò)木柱卯口與栱枋間的橫紋承壓將水平荷載傳至栱枋上,使栱枋受彎和扭,并使木柱卯口處橫紋受拉,栱枋和地栿橫紋承壓。試驗(yàn)表明,斗栱節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)和柱腳節(jié)點(diǎn)抵抗水平荷載的性能皆隨柱上豎向荷載的增大而提高。木柱經(jīng)加固后節(jié)點(diǎn)抵抗水平荷載的性能亦皆有所提高。
　　針對(duì)木材各向異性的特點(diǎn),建立了復(fù)雜應(yīng)力狀

5、態(tài)下的本構(gòu)關(guān)系模型,并結(jié)合ABAQUS編制了用戶子程序VUMAT,模擬復(fù)雜受力情況下的木材力學(xué)性能?；诟鞴?jié)點(diǎn)的真實(shí)構(gòu)造、所建立的木材本構(gòu)關(guān)系模型和各構(gòu)件間動(dòng)摩擦接觸關(guān)系模型,建立了的木塔典型斗栱節(jié)點(diǎn)、梁柱節(jié)點(diǎn)和柱腳節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化有限元模型,并對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能進(jìn)行了計(jì)算分析,結(jié)果與試驗(yàn)吻合良好。在試驗(yàn)和計(jì)算分析的基礎(chǔ)上,提出了斗栱在豎向荷載作用下的簡(jiǎn)化力學(xué)模型,明確了傳力路徑。
　　基于ABAQUS建立了應(yīng)縣木塔整體結(jié)構(gòu)無(wú)損和現(xiàn)

6、狀兩種精細(xì)化有限元模型。通過(guò)動(dòng)力特性分析,得到了木塔兩種模型的自振頻率和振型,其中現(xiàn)狀模型的動(dòng)力特性與文獻(xiàn)實(shí)測(cè)結(jié)果吻合。通過(guò)對(duì)木塔整體結(jié)構(gòu)有限元分析,分別研究了木塔在豎向(重力)荷載和水平(地震)荷載作用下的工作性能,明確了木塔豎向和水平方向的傳力路徑。經(jīng)對(duì)木塔進(jìn)行多遇地震作用下的有限元分析,得到了木塔的地震響應(yīng),并結(jié)合所提出的傾覆評(píng)判指標(biāo),對(duì)木塔的抗震安全進(jìn)行了評(píng)估。對(duì)木塔的整體和局部?jī)A斜、抗扭剛度低、明層抗側(cè)移剛度低、局部抗側(cè)移剛度