古建筑殿堂型结构耗能减震性能的有限元分析研究

中国古建筑在中国传统文化中占有相当重要的位置。从某种意义上说,它们代表着中国古代科技的发展水平,集历史性、艺术性和科学性于一身。但由于历史条件等原因,以往的研究一般着重于古建筑的历史性和艺术性的研究,而对古建筑的科学性研究较少。在介绍木结构古建筑殿堂型结构体系基础上,从构成木结构古建筑殿堂型结构体系的构件入手,建立了木结构古建筑殿堂型结构体系构件的有限元模型,通过SAP2000程序对缩尺1:3.52的木结构古建筑殿堂型心间结构进行了有限元分析,定量地得出斗拱、榫卯和屋面对木结构古建筑殿堂型结构的耗能减震起着重要的作用等一些有意义的结论,为当今耗能减震的结构的设计提供一定的借鉴。

基于能量分析的唐代殿堂型木构架抗震机理研究

唐代殿堂型木结构遗存在漫长历史进程中抵抗多次地震作用仍屹立不倒,表现出良好抗震性能。由于采用放松约束平摆浮搁柱脚节点及厚重大屋盖,水平地震作用下,木构架会发生反复摇摆抬升,存在能量转化问题,因此有必要通过构架中的能量分析进一步揭示其抗震机理。分析了地震作用下摇摆木构架中的能量平衡关系,建立了典型唐代殿堂型木构架精细化有限元模型并进行动力时程分析,通过木构架中的能量组成及变化规律分析揭示其抗震机理,同时研究了地震作用参数及斗拱-梁架一体化铺作层构造、柱头馒头榫弱连接节点形式、竖向荷载大小等结构参数对木构架中能量的影响。结果表明:地震作用下木构架摇摆变形过程中动能与重力势能及弹性应变能不断转化,并通过阻尼、摩擦及塑性变形耗散能量。由于“大屋盖”储能优势,输入的动能通过转化为重力势能存储于构架中,减轻构件损伤的同时也为其消耗地震能量争取了时间。影响参数分析结果表明:竖向荷载大小和地震波加速度幅值对木构架中能量影响较大,这两个参数值越大,木构架总输入能及阻尼耗能越大。

殿堂型木构架古建筑的抗震构造研究

以《营造法式》为依据,结合中国古建筑实例,从结构构造的角度,对殿堂型木构架古建筑的抗震性能进行研究;殿堂型木构架古建筑,由台基层、柱框层、铺作层及屋盖层4部分组成,通过各层相应的构造措施,设置多道抗震防线,共同提高结构的抗震性能,体现了"刚柔相济,以柔克刚,滑移隔震,耗能减震"的思想。

唐代殿堂型木构架抗侧力性能影响参数分析

唐代殿堂型木结构是中国最早的木结构建筑遗存,具有极其珍贵的历史文化和科学研究价值。为深入研究此类木构架的抗侧力性能,建立了经模型试验验证的唐代殿堂型木结构单间四柱空间木构架精细化有限元模型,探究斗栱梁架一体化铺作层构造,柱脚管脚榫、柱头馒头榫等弱连接节点形式以及竖向荷载大小和位置对木构架滞回耗能及抗侧力性能的影响。结果表明:水平往复荷载作用下,唐代殿堂型木构架表现为摇摆抬升,其水平位移以柱架层的水平位移为主,滞回曲线呈“S”形,具有明显的“捏缩”效应,两端较饱满,正反接近对称。木构架初始抗侧刚度最大,随位移增大退化明显。铺作层为刚度较大的水平结构层,其横梁联系存在一定的冗余度。柱脚管脚榫及柱头馒头榫均可增强木构架的滞回耗能及抗侧力,但两者发挥作用的阶段不同。竖向荷载越大,木构架的滞回耗能越大,水平抗侧力也越大;其作用位置在一个柱径长度内偏移对木构架的滞回耗能及抗侧力性能无明显影响。

唐代殿堂型木构架摇摆柱力学模型研究

以山西佛光寺东大殿为代表的唐代殿堂型木结构建筑年代久远,具有极其重要的历史文化价值。已有研究表明柱架层、铺作层和屋架层的水平分层结构使其具有良好的抗震性能,其中柱摇摆在抗震中发挥了重要作用。以唐代殿堂型木构架中的木柱为研究对象,对其在水平荷载作用下的抗侧机理进行了详细分析:考虑摇摆过程中柱头和柱脚受压面应力状态变化及受压区木材的弹塑性变形,将柱摇摆过程划分为六个子状态,分别建立了各子状态的几何方程、平衡方程和接触面应力分布关系;对柱头、柱脚受压面形状变化以及柱头栌斗压力合力作用点和柱脚础石支反力合力作用点的平移过程进行详细分析;建立了摇摆柱抗侧力-柱头水平位移力学模型,并通过与数值计算结果及已有理论模型的对比验证了所提模型的有效性。此外,还对比分析了唐、宋两个历史时期殿堂型木构架因柱架层构造不同而产生的抗侧性能差异。研究成果可为早期古建木构抗震性能及加固研究提供理论基础。

唐代殿堂型木构架带昂铺作层受力性能试验研究

在唐代殿堂型木构架中,作为木柱与屋架间连接层的铺作层结构整体性强,纵横向联系紧密,受力复杂。为研究铺作层结构的受力性能,以唐代殿堂型木构架单跨铺作层为研究对象,制作了1∶3的缩尺模型并开展两级竖向荷载作用下的水平往复加载拟静力试验,分析铺作层结构的受力变形特征和滞回性能。结果表明:在外荷载作用下,铺作层模型出现了铺作转动、连梁段受弯和横向构件相对滑动等变形,其中一、二下昂在不同的加载方向呈现出不同的位移特征。在正向加载阶段,一下昂随铺作转动并滑动,二下昂斜向下滑动,至正向加载阶段末,一、二下昂昂头的水平位移占水平控制位移的56.93%和79.03%;负向加载阶段,一、二下昂受下部构件阻碍与之挤压并斜向上滑动,至负向加载阶段末,一二下昂昂头的水平位移占水平控制位移的49.81%和63.90%。铺作层模型的滞回曲线具有不对称性特征,负向半环更为饱满,这是由于负向加载阶段一、二下昂的滑动增大了铺作的负向转动角度和连梁段弯曲程度,进而提高了铺作转动以及连梁段受弯时的抗侧能力。竖向荷载能够有效提高铺作层模型的水平承载力、抗侧刚度和耗能能力,当竖向荷载为60 kN时,相较于30 kN的情况,铺作层模型的正(负)向水平承载力、正(负)向抗侧刚度和耗能能力分别提高了25.35%(42.15%)、25.97%(38.04%)和70.01%。

闽南建筑的殿堂型构架

殿堂型构架是古代建筑等级最高、结构最复杂的构架形式。闽南的殿堂型构架建筑保存至今的有5座:漳浦县文庙大成殿、漳州府文庙大成殿、漳州市振成巷林氏宗祠享堂、泉州市开元寺大雄宝殿和厦门市黄氏宗祠江夏堂,它们的时间跨度达550年。与唐、辽、宋的殿堂型构架相比,这5座殿堂型构架建筑,在加强柱网层的稳定性与整体性上采取了新的措施,屋架层的草架改用穿斗构架殿身、副阶结构受到穿斗式技术的影响,天花的形式多样化,反映了殿堂型构架在南方穿斗技术体系中的发展变化。