應縣木塔典型節(jié)點及結(jié)構(gòu)受力性能研究.pdf

1、應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)受了多次強烈地震和人為破壞而巍然屹立,向世人展現(xiàn)著中國燦爛的文明。但也應看到,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)生嚴重變形與損傷,木構(gòu)件開裂和老化,尚有遭受炮擊等人為損傷,且這些情況有隨時間增長而惡化的趨勢。木塔亟待進行結(jié)構(gòu)安全評估和維修。然

2、而應縣木塔結(jié)構(gòu)復雜,結(jié)構(gòu)體系及其傳力路徑不甚明確、節(jié)點構(gòu)造及傳力機理不明晰。本文在全面結(jié)構(gòu)調(diào)查的基礎(chǔ)上,對木塔進行結(jié)構(gòu)解讀,開展其典型節(jié)點性能試驗研究與有限元分析,并進行木塔整體結(jié)構(gòu)精細化有限元分析,以對木塔結(jié)構(gòu)的安全評估乃至維修加固提供重要依據(jù)。
　　基于現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果,對應縣木塔進行了結(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)角度對木塔斗栱、梁柱節(jié)點和柱腳節(jié)點進行了歸類。用工程力學的觀點,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。
　　通過豎向單調(diào)加載試驗和水平低周循環(huán)加載試驗,研究了應縣木塔典型斗栱節(jié)點模型、梁柱節(jié)點和柱腳節(jié)點模型的承載力和剛度?；谠囼灲Y(jié)果和相似理論,估算了木塔典型斗栱原型、梁柱節(jié)點和柱腳節(jié)點原型的受力性能。在豎向荷載作用下,斗栱節(jié)點主要通過耍頭、華栱、栱枋、散斗和櫨斗傳遞荷載,其受力機理與木材橫紋承壓工作相似。在水平荷載作用下,斗栱節(jié)點主要以各道栱枋抗彎的形式傳遞荷載,其受力機理與木材受彎工作相似。梁

4、柱節(jié)點主要通過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)點則主要通過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。試驗表明,斗栱節(jié)點、梁柱節(jié)點和柱腳節(jié)點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)點抵抗水平荷載的性能亦皆有所提高。
　　針對木材各向異性的特點,建立了復雜應力狀

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,模擬復雜受力情況下的木材力學性能?；诟鞴?jié)點的真實構(gòu)造、所建立的木材本構(gòu)關(guān)系模型和各構(gòu)件間動摩擦接觸關(guān)系模型,建立了的木塔典型斗栱節(jié)點、梁柱節(jié)點和柱腳節(jié)點的精細化有限元模型,并對這些節(jié)點的力學性能進行了計算分析,結(jié)果與試驗吻合良好。在試驗和計算分析的基礎(chǔ)上,提出了斗栱在豎向荷載作用下的簡化力學模型,明確了傳力路徑。
　　基于ABAQUS建立了應縣木塔整體結(jié)構(gòu)無損和現(xiàn)

6、狀兩種精細化有限元模型。通過動力特性分析,得到了木塔兩種模型的自振頻率和振型,其中現(xiàn)狀模型的動力特性與文獻實測結(jié)果吻合。通過對木塔整體結(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)對木塔進行多遇地震作用下的有限元分析,得到了木塔的地震響應,并結(jié)合所提出的傾覆評判指標,對木塔的抗震安全進行了評估。對木塔的整體和局部傾斜、抗扭剛度低、明層抗側(cè)移剛度低、局部抗側(cè)移剛度