古建筑木结构屋盖振动台试验及数值模拟.pdf

殿堂式木构屋顶作为考察对象，运用震动台测试和ANSYS仿真方法，探究其动态特性，分别测定了不同条件下屋顶的峰值加速度和整体结构动力增幅系数，同时将实验数据与仿真结果进行比对分析调查发现:地震影响增强时,屋盖的加速度最大值会相应提高,而整个建筑的动力增幅系数则呈现降低趋势;实际测试中得到的动力增幅系数,比通过 ANSYS 软件计算的结果要低一些。这些成果能够为古代建筑抗震能力的分析,奠定理论根基并给出技术指导。以宫殿木构架的屋盖为分析对象，通过振动台试验和ANSYS数值模拟，探究了屋盖的动态响应特性，获得了不同工况下的最大加速度响应以及整体结构的抗震放大系数；最终将振动台试验结果与数值模拟结果进行对比分析。研究表明，随着地震作用增强，屋盖峰值加速度呈现增大趋势，而整体结构的抗震放大系数则逐渐减小，试验测得的抗震放大系数小于ANSYS模拟值。这些研究成果为古代木构架的抗震性能研究提供了理论依据和技术参考。关键词:屋盖;振动台试验;数值模拟;抗震放大系数* 国家自然科学基金资助项目(59878043) ;陕西省重点试验室建设资助项目(05JS17)。第一作者:赵鸿铁，男，1939 年出生，教授，博导。电子邮件：zhaohongtie@ hotmail． com 来件时间：2011 － 06 － 25中国传统的建筑多采用木材建造，这类建筑不仅构造方式与众不同，还蕴含着深厚的历史意义、艺术成就、科学知识以及文化内涵，其中承载了大量的文化历史资料，是中华文明的重要构成部分。近些年，地震持续不断地施加破坏力，导致众多古老建筑遭受不同程度的损毁。鉴于此，探究这些建筑抵御地震的能力，已成为古建筑领域的一项核心议题。当前古建筑研究范畴内，文献［1 － 2］着重分析了榫卯节点与斗拱的力学属性，针对低周反复荷载情况，分别揭示了二者力学行为特征；文献［3 － 5］着手探讨古建筑整体抗震能力，从结构构造角度阐释了中国古建筑抗震原理及稳固性；文献［6 － 8］运用时程分析法，考察了木结构在地震影响下的动态反应，归纳出其具备优良的整体抗震效果和稳固程度。传统建筑木构架屋顶体系，在质量与刚度方面最为突出，它对整体抗震能力起着决定性作用，不过，关于此类结构动力特性的探讨却相当有限，本项研究主要借助振动台实验和数学计算，对屋盖梁架进行动态剖析，能够揭示出在不同条件影响下，屋盖梁架层所展现的动态反应，再通过对比分析，可以明确振动台实验和数学计算之间存在的出入。古建筑木结构振动台试验，模型制作采用俄罗斯进口红松，础石使用青石板，为了精确反映和监测柱底位移情况，在其表面绘制不同大小的圆圈，通过螺栓将其安装在振动台台面上，构架模型直接水平放置在础石之上。梁柱节点采用燕尾榫方式连接，柱顶部分通过榫卯结合固定，普拍枋铺设于柱架之上，古建筑木构屋面振动台测试及数值分析——赵鸿铁等人研究47篇文献，斗拱则用馒头榫固定在普拍枋上，依照《营造法式》［9］的材份制规范，模型缩小比例设定为1比3.52，具体形态见图1。屋盖改用钢筋混凝土板，该板厚度是 250 毫米，平面规格为 2 米乘以 2.2 米，配重为每平方米 14 千牛。在模型的顶部木梁位置，设置了差容式加速度传感器和磁电式传感器，用于测量屋盖整体的绝对加速度、位移和速度响应，如图 2 所示，测点与加载均布置于此处。选取 El Centro地震动、Taft地震动、兰州地震动作为输入，分析它们的绝对加速度特征。图 2 展示传感器分布情况，图示编号为Fig． 2 Sensor distribution diagram,编号为1. 3，试验过程如下，在振动台进行测试，利用测振设备，获取试验用屋盖模型，在承受 El Centro 波冲击，该波幅值为 1. 1，2. 2，5. 1 m / s2，以及 Taft 波冲击，此波幅值为 1. 1，2. 2 m / s2爱游戏app入口官网首页，和兰州波［10］冲击作用时，其加速度响应数据，通过分析这些数据，确定了不同条件下的屋盖最大加速度值，同时计算了整体结构的动力放大系数，详细结果见表 1。表 1 屋顶获取加速度峰值与整体构造动力增幅系数Table 1 屋顶获取加速度峰值与整体构造动力增幅系数地震波地震加速度数值/(m·s － 2)获取加速度峰值/(m·s － 2)动力增幅系数试验 ANSYS 试验 ANSYS试验El Centro 波 1. 1 0. 647 0. 886 0. 588 0. 805 1. 3692. 2 0. 925 1. 232 0. 420 0. 560 1. 3335. 1 1. 113 1. 667 0. 223 0. 333 1. 493Taft 波 1. 1 0. 738 0. 913 0. 671 0. 830 1. 2372. 2 0. 896 1. 220 0. 407 0. 555 1. 364兰州波 1. 1 0. 608 0. 595 0. 553 0. 541 0. 9782. 2 0. 857 1. 021 0. 390 0. 464 1. 190注:最末一列为动力增幅系数的对比值。根据表格数据，随着地震强度提升，屋盖模型中各个梁架层的加速度最大值逐渐变大，与此同时，屋盖整体结构的动力放大系数却呈现下降趋势，这表明随着地震影响的增强，屋盖的隔震减震性能愈发显著。这个现象产生的原因在于，轻微震动时，柱子底端和地基之间的静摩擦力超过地震产生的剪切力，柱体和地基不会发生相对移动，地震波传递的能量主要通过柱体向上传递，因此能量损耗比较小；当地震波能量增强时，梁柱连接处的榫卯结构会逐渐被挤压而滑动，柱脚和斗拱铺作层也会随之滑动，这个滑动过程消耗了大量能量，导致建筑上部受到的地震影响显著降低，所以动力放大系数会随着地震波加速度的增加而逐渐减小。数值模拟借助 ANSYS 有限元技术爱游体育app下载官网，构建屋盖梁架结构模型，针对地震影响开展动力研究，获取分析数据。模型构建与施加荷载方面，采用殿堂式八椽栿悬山风格屋盖梁架，其规格依照《营造法式》规范执行，具体形态参见图 3。根据测算，该建筑屋顶的抬升高度是六米，屋面层板的厚度为二十九公分，横向的跨度长度达到二十一点一二米。该屋面构造的每平米重量为一千二百十八点二公斤。该有限元模型的梁架部分运用 Beam189 单元进行构建，屋面结构则选用 Shell 181 单元来模拟，榫卯节点、柱根部位以及斗拱构造均通过 Combine 14 弹簧单元加以表现，以此实现半刚接的连接效果，该模型针对半刚接特性进行了详细仿真，具体可参考工业建筑2011年第41卷第8期所载图3中的殿堂型屋盖梁架示意图划分网格后，形成了六十八个梁式构件，一千五百二十六个薄壳单元，以及一百零八个卯榫连接节点。该模型阻尼系数为0.029，依据文献资料，弹簧元件的刚性参数为：沿x方向刚度为1.113×10^5牛每米爱游戏最新官网登录入口，沿y方向及z方向刚度均为1.27×10^8牛每米，面内剪切刚度为2.96711×10^5牛米每弧度，其他方向的剪切刚度数值相同。屋盖模型的模拟工作借助 ANSYS 软件完成，各种情况下的屋盖加速度最大值和整体结构动力放大系数数据已汇总于表 1。运用 ANSYS 进行有限元动力分析后可知，屋盖梁架层的动力特性与振动台试验结果具有一致性：伴随地震影响的增强，屋盖模型各梁架层的加速度峰值呈现上升趋势，而整体结构的动力放大系数则表现出下降趋势。地震影响增强时，建筑顶部的缓冲作用愈发显著，这种效果在实验中得到验证。通过对比分析，整体结构动力放大系数定义为顶部最大震动强度与地面最大震动强度之比。表一详细记录了实际测试和计算机模拟得出的整体结构动力放大系数，并呈现了这两组数据的对比结果。两组数据对比表明:随着地震波加速度值的提升,动力放大系数的试验测量值低于 ANSYS 的模拟计算值。这种现象存在的原因在于:在振动台进行的试验过程中,当地震作用刚开始施加时,各个梁、柱榫卯节点以及斗拱铺作层位置的构件呈现出半脱离的状态,节点的刚度相对偏低。正因如此,实际传递的地震影响效应相对较小。后来地震影响增强，榫卯结构开始相互锁紧导致其支撑能力逐步提升，不过伴随地震力度加大，结构会出现不同层次的损伤，累积的损耗让结构支撑能力有所减弱，实际支撑能力低于预期数值，进而降低了地震带来的冲击效果。ANSYS 仿真运算在地震效果刚开始时便为节点配置了特定的抗力参数，节点抗力固定不变，且不会降低，这属于一种理想化的计算方式，从地震效果施加开始，地震能量的传递就比真实测试要强，所以整体建筑的动力反应测试数据比 ANSYS 仿真结果要低。4 总结1)随着地震效果的增强，建筑顶棚模型各梁柱层段的加速度最大值也逐步提升。随着地震影响的逐步增强，木建筑整体结构的动力放大倍数逐渐减小，表明随着地震影响的加剧，屋顶的隔震缓冲作用越来越显著。振动台实验测得的整体结构动力放大倍数，要低于ANSYS软件模拟的结果。引文［1］ 俞茂宏等人撰写的《中国古建筑力学研究新知》发表于《力学进展》二零零六年第一期，页码从四十三至六十四，文献类型为期刊文章［J］．文献［2］是俞茂宏与刘晓东、方东平合著的《西安北门箭楼受力与振动特性检测报告》刊登于《西安交通大学学报》一九九一年第三期，页码范围是五十五至六十二，同样属于期刊文章［J］．文献［3］由姚侃、赵鸿铁、薛建阳等完成的《古建筑木构整体稳固性评估》发表于《世界地震工程》二零零八年第一期，页码为七十三至七十六，文献类型为期刊文章［J］．文献［4］是薛建阳、张鹏程、赵鸿铁合著的《古建筑木结构抗地震作用机理探讨》登载于《西安建筑科技大学学报》二零零零年第一期，页码从八至十一，文献类型为期刊文章［J］．文献［5］隋某撰写的《中国古代木构能量耗散与震动特性研究》是学位论文，完成于二零零九年，由西安建筑科技大学授予学位，论文编号为[D]．文献［6］姚侃完成的《木构古建筑结构特征及抗地震能力分析》也是学位论文，完成于二零零六年，同样由西安建筑科技大学授予学位，论文编号为[D]．文献［7］周乾、闫维明、周宏宇合著的《中国古建筑震动特性及地震影响》发表于《北京工业大学学报》二零一零年第一期，页码范围是十三至十七，文献类型为期刊文章［J］．文献［8］赵鸿铁、姚侃、薛建阳等人的《中国历史木建筑地震特性研究》作为会议论文收录在《第九届青年结构工程师国际研讨会论文集》中，会议地点在福州与厦门，论文编号为[C]∥，发表于一二零零六年．文献［9］宋代李诫编写的《营造法式》由上海商务印书馆在一九五零年出版，文献类型为书籍[M]．文献［10］《建筑抗震设计规范》GB50011—二零一零版本为标准文件，文献类型为标准[S]．文献［11］苏军撰写的《中国木结构古建筑抗地震能力分析》是学位论文，完成于一零零八年，由西安建筑科技大学授予学位，论文编号为[D]．·小常识·科技文章摘要须同时提供中文与英文版本．文章摘要旨在弥补标题的局限性，通过概述核心内容来招徕读者，其功能在于无需通读全文即可掌握关键资讯。摘要通常包含三个关键部分：探究目标、实施途径以及最终成果或论断，它是一篇自成体系的说明性短文，且以客观视角进行叙述。论文摘要须涵盖前述要素，但表述务必精炼，信息需高度凝练，篇幅通常受字数约束，一般不超过两百字，以一百至两百字最为恰当。此外，摘要部分不宜包含具体案例，无需阐述研究步骤，不附图表，不提供化学构造图式，不列出文献索引，亦不可加入个人评价。