构造特征对应县木塔柱头铺作受力性能的影响研究

铺作节点是应县木塔的重要组成节点之一,开展铺作的抗震性能研究对应县木塔的保护工作具有重要现实意义。该文主要进行了三层至五层的明层外槽柱头铺作的缩尺模型的拟静力抗震性能试验,研究了构造差异对柱头铺作抗震性能的影响。试验结果表明:具有不同构造特征的三个柱头铺作模型的铺数越多,其耗能能力越强,水平承载力越大。柱头铺作在正向加载时都是以转动变形为主,在负向既有转动变形也有滑移变形。铺数增加会降低构件滑移变形的占比。铺数减少时,柱头铺作模型在负向加载中滑移变形的占比越大,但是当某相邻两层之间的散枓或齐心枓枓耳被剪坏时,负向的滑移变形占比增加明显,DG-1、DG-2和DG-3构件间的最大滑移占比分别达到51%、47%和87%。三层至五层柱头铺作的构件滑移主要位置在模型的中、上端部分。该研究可为应县木塔的安全现状和修缮保护提供充分的基础保障。

古建筑木结构力学性能与性能提升技术研究进展

古建筑木结构力学性能分析是科学保护古建筑的重要基础。基于木结构建筑基本力学性能和抗震性能提升,从柱架层、斗栱层以及含斗栱层的柱架体系等方面,对其研究现状进行系统总结,综合分析古建筑木结构现有力学性能研究进展。此外,还详细梳理当前木结构修缮和加固的传统方法与新型技术,包括传统加固方式、碳纤维增强复合材料加固连接节点和应用新型功能性材料等,为进一步研究古建筑木结构稳定性及优化其修缮保护措施提供参考。

不同竖向荷载下“米字形”补间铺作抗震性能试验研究

明晰古建筑木结构铺作节点的抗震性能,是了解古建筑木结构受力性能和安全状态的重要基础。为揭示不同竖向荷载下“米字形”补间铺作的抗震性能,以应县木塔三层明层东南向补间铺作为原型,制作2个1∶3.7的缩尺模型,进行了不同竖向荷载作用下补间铺作的拟静力荷载试验,分析了“米字形”补间铺作竖向荷载传递路径,研究了不同竖向荷载作用下补间铺作的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、耗能能力等抗震性能,重点关注了补间铺作各层构件内部的滑移和转动变形模式,研究了竖向荷载对其变形模式的影响。结果表明:不同竖向荷载下“米字形”补间铺作的变形模式和破坏特征基本一致。变形模式均为在正向加载时以转动变形为主,在负向加载时以构件间滑移变形为主,且滑移变形主要集中在“米字形”交叉构件层上部。增大竖向荷载会使产生主要滑移的构件层位置下移,也会使构件层间相对滑移量减少,同一加载级下滑移量可减少25%。破坏特征主要表现为斗类构件斗耳开裂甚至被剪掉。增大竖向荷载会提高试验铺作模型的水平承载力、初始刚度和耗能能力,竖向荷载增至3.7倍,水平荷载在正向和负向加载时分别提高至2.5倍和2.43倍,初始刚度提高至3.29倍,耗能能量增加至2.37倍。

德胜门箭楼典型梁架层残损特征及其对构架受力性能影响研究

德胜门箭楼古建筑群在历经千百年的沧桑后,结构和构件存在不同程度和不同类型的损伤。通过对箭楼建筑群进行残损调研,归纳其残损特征,统计各残损类型的数量、比例和分布情况,分析对应残损的成因,得到了德胜门箭楼的典型残损特征。为探究典型残损特征对结构受力性能的影响,建立了完好一榀框架和拔榫状态下一榀框架数值模型,对比分析了节点拔榫对木构架受力性能的影响。研究结果表明:德胜门箭楼木构架的残损主要集中在柱网层和梁架层。柱网层的残损主要表现为开裂及倾斜。梁架层的典型残损主要包括榫卯节点拔榫和木梁横纹开裂;透榫节点弯矩-转角曲线具有明显的不对称性,透榫节点的破坏特征为榫头变截面处的横纹撕裂破坏;当一榀框架处于小拔榫状态下,拔榫量对一榀框架的抗弯承载力无明显影响。当拔榫量增加到一定程度时,一榀框架的抗弯承载力出现跳跃式下降,正向峰值承载力相对负向的下降明显,正向下降率处于16%~18%,负向下降率处于9%~15%。研究结果可为传统木结构建筑的安全现状和保护修缮提供重要参考。

考虑高径比影响的木结构柱抗侧能力试验研究

古建筑木结构柱的抗侧能力对木构架整体稳定性有着重要影响。为研究木柱抗侧能力,考虑高径比影响,参考宋《营造法式》制作三个不同高径比的足尺木柱模型。通过低周反复荷载试验研究木柱的受力特征、水平力-位移滞回曲线、骨架曲线、抗侧刚度、刚度退化规律和延性等力学特性,并分析高径比对上述性能指标的影响,提出木柱荷载位移简化模型。试验结果表明:在反复荷载作用下,木柱出现摇摆现象;木柱水平力-位移滞回曲线形状呈S形,具有捏拢效应;在较小侧移下,木柱具有较好的抗侧能力,其抗侧刚度随柱头位移增加呈先快后慢的非线性退化规律;高径比越小,木柱的耗能能力、抗侧刚度和延性越高,其对抗侧刚度的影响随位移增加而逐渐减小;根据试验结果建立了包含弹性段、屈服段、平台段和退化段的四线型荷载位移简化计算模型,可为古建筑木结构整体抗侧能力分析提供参考。

木楔加固对松动透榫节点抗震性能的影响

为研究木楔加固对带缝隙透榫节点在反复荷载作用下受力性能的影响,制作了包括完好节点、松动节点及木楔加固节点的3组足尺透榫节点模型。通过试验室足尺试验对比分析了3组节点的变形特征和破坏特点,研究了节点的弯矩转角滞回曲线、刚度变化特性、耗能和应力状态等受力特点。结果表明:完好和松动节点的破坏形式为变截面出现延伸至榫头根部的木材顺纹撕裂破坏。木楔加固节点的破坏特征为木楔挤压破坏;木楔加固后,节点的滑移现象和捏拢效应减弱;松动节点抵抗外荷载的能力和耗能能力等特性均显著降低,木楔加固后节点的各项性能明显提高,其弯矩较松动节点的弯矩提高约30%。

不同竖向荷载下带“昂”柱头铺作抗震性能试验研究

带昂柱头铺作的抗震性能研究是应县木塔抗震性能研究的重要基础。为揭示不同竖向荷载下该类铺作的变形模式和抗震性能,该研究以应县木塔二层明层外槽带昂柱头铺作为原型,制作了2个1∶3.7的缩尺试件,进行了拟静力抗震性能试验。通过分析该铺作的水平力-位移滞回曲线、骨架曲线和等效粘滞阻尼系数等,明确了竖向荷载对该铺作抗震性能指标的影响。结果表明:竖向荷载的变化基本不影响该铺作的变形特征,但竖向荷载的增大会加剧滞回曲线的不对称性,且会显著提高该类铺作的水平承载力、初始刚度和耗能能力。竖向荷载增大3.7倍,水平承载力在正向和负向分别提高了2.2倍和2.9倍,初始刚度提高了2.4倍,耗散能量增加了3.0倍;增大竖向荷载虽然会改变铺作初始滑移出现的位置,但不改变该试验铺作的滑移累积方式和薄弱位置,最终两个铺作的滑移模式都表现为两跳华栱间的相对滑移。提出了该铺作节点的位移-承载力骨架曲线简化模型,得到了不同竖向荷载对抗侧刚度和水平承载力的影响系数β_(k)和β_(F),用以修正骨架曲线简化模型在不同竖向荷载下的刚度k。

古建筑木结构柱脚节点受力性能试验研究

在古建筑木结构中,将木柱直接平摆浮搁于础石之上,形成连接上部结构与台基之间的柱脚节点,其只承受压力而不承受拉力。在反复荷载作用下,木柱会沿柱脚边缘转动。为研究柱脚节点在地震、风荷载等作用下的受力性能,参考宋代《营造法式》制作了3个七等材足尺柱脚节点模型。通过低周反复荷载试验对柱脚节点的受力特点、滞回特性、转动刚度、刚度退化、柱脚截面等效半径和柱脚边缘点应变等特性进行研究,并分析了竖向荷载对上述性能的影响。试验结果表明:在反复荷载作用下,柱脚边缘出现受压变形,其转动支点交替变化;滞回曲线呈反Z形,产生捏拢现象;柱脚节点恢复弯矩和柱脚截面等效半径首先随转角增加而增加,而后逐渐趋于稳定;柱脚节点的初始转动刚度较大,随后刚度随转角增加逐渐减小;在反复荷载作用下,柱脚节点产生刚度退化现象,加载过程中,柱脚转动刚度为正值,表明其具有较好地转动性能;柱脚恢复弯矩、转动刚度、边缘点应变随竖向荷载增加明显增加,柱脚截面等效半径随竖向荷载增加而减小;通过试验拟合得到了竖向荷载对恢复弯矩和转动刚度的影响系数。

摇摆状态下古建筑木结构木柱受力性能分析及试验研究

在古建筑木结构中,木柱常常直接浮搁于础石上。在地震、风等反复荷载作用下,木柱会出现"摇摆"现象。木柱作为整体结构的主要承重部分,其在摇摆状态下受力性能对整体结构的稳定性和整体性有着重要的影响。为研究木柱在摇摆状态下的受力性能,该文首先提出摇摆运动机理,通过理论分析得到柱脚抬升判定条件;其次,参考《营造法式》制作了七等材木柱模型,通过低周反复荷载试验验证了柱脚抬升判定条件的正确性,研究了木柱的变形特征、柱头荷载位移滞回曲线、骨架曲线、抗侧能力、刚度退化规律等特性。试验结果表明:在反复荷载作用下,木柱出现摇摆现象,柱脚与础石接触部位存在木材受压变形。当柱头位移达到10 mm时,柱脚出现一侧抬升一侧受压现象。加载过程中,柱脚未滑移;木柱荷载位移滞回曲线呈S形,具有一定的捏拢效应;木柱初始抗侧刚度最大,其抗侧能力随柱头位移增大而逐渐减弱;在柱头位移达到60 mm之前,刚度退化较明显,随后刚度退化现象减弱。