山地古建筑木结构动力测试与抗震性能分析

作     者：陈建 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘毅

授予年度：2022年

学科分类：081405[工学-防灾减灾工程及防护工程] 08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：山地古建筑 古建筑木结构 原位动力测试 杆系模型 多尺度模型 抗震性能 

摘      要：山地古建筑木结构是中国古建筑的重要组成部分,因其柱底不等高约束的山地结构特点,导致其在动力特性、抗震性能和震害情况等方面与平地古建筑木结构存在较大的差异。国内外学者对大量的古建筑开展了原位动力测试和抗震性能分析,但主要集中于平地古建筑,对山地古建筑木结构的研究较少。因此,为了对古建筑木结构的抗震保护提供科学的理论依据,选取典型山地古建筑木结构,首先开展了原位动力测试,通过模态识别获取了结构的模态参数,并对两次原位动力测试中的测试方案和模态识别方法进行了对比,对山地古建筑木结构的原位动力测试方法提出了建议;然后,基于二王庙二殿的测试结果,以二殿为原型,分别建立了山地和平地杆系模型,结合山地地形特点,研究了双向地震作用对山地古建筑木结构抗震性能的影响;最后,为获取榫卯节点在地震作用下的响应规律,基于连接界面做功相等的多尺度约束方法,建立了透榫节点多尺度模型,验证了该方法在古建筑木结构中多尺度建模的适用性和准确性,并采用该方法建立了二殿的多尺度模型,对其进行了弹塑性动力时程分析,对比了山地古建筑木结构多尺度模型与杆系模型在地震响应上的异同,获得了山地古建筑木结构榫卯节点在地震作用下的响应规律。本文得到的主要结论如下:1.青城山灵官殿和都江堰二王庙二殿的基频分别为3.23Hz和3.08Hz,大于一般的平地古建筑木结构。为了准确获取山地古建筑木结构的模态参数,在进行原位动力测试时,建议采用高灵敏度的速度型传感器,测点宜在各平面上四角对称布置,并采用两种或两种以上的模态识别方法进行识别,以提高山地古建筑木结构识别结果的精度。2.柱底不等高约束的特点会改变古建筑木结构的振型规律,削弱其减震耗能能力,并加大屋盖层鞭梢效应。同时,减小各层的楼层位移和不等高约束端所在层及相邻层的层间位移角,且对结构顺坡向的影响更为显著,会导致结构在顺坡向出现层间位移角突变,形成抗震薄弱层,并显著放大不等高约束端所在层及相邻层的扭转效应。3.双向地震作用对山地古建筑木结构不等高约束端所在层的扭转有明显的放大效应,最大幅度为9.45%,而对加速度、楼层位移和内力响应的影响较小,均小于3%。因此,为了准确获得山地古建筑木结构的抗震性能,应考虑双向地震作用对结构扭转响应的影响。4.在古建筑木结构多尺度模型中,基于连接界面做功相等的多尺度约束方法具有较好的适用性和准确性。山地古建筑木结构多尺度模型能够有效地反映出整体结构的加速度和位移等宏观响应规律,且与杆系模型具有较高的一致性。但榫卯节点精细化实体模型的引入会影响整体结构的地震响应大小,并对双向地震作用下的山地木结构扭转响应的影响较大。5.山地古建筑木结构多尺度模型能够直观描述榫卯节点在地震作用下的应力、应变和拔榫的变化规律,而杆系模型则无法实现。在地震作用下,多尺度模型中的卯口和榫头均表现出反复受压的响应规律,节点塑性区域只出现在卯口的出入榫端部及榫头相对应的部位,且榫头的塑性范围和塑性程度均要大于卯口,而柱身和枋身此时仍处于弹性工作阶段。