考虑榫卯松动的古建筑木结构地震响应分析.pdf
《考虑榫卯松动的古建筑木结构地震响应分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《考虑榫卯松动的古建筑木结构地震响应分析.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 36 卷第 4 期2023 年 8 月振 动 工 程 学 报Journal of Vibration EngineeringVol.36 No.4Aug.2023考虑榫卯松动的古建筑木结构地震响应分析马林林1,2,薛建阳2,张锡成2,耿少波1(1.中北大学土木工程系,山西 太原 030051;2.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西 西安 710055)摘要:通过缩尺比为 1 3.52的完好古建筑木结构当心间模型振动台试验,得到了完好古建筑木结构模型的破坏模式、加速度时程曲线及相对位移时程曲线。在验证完好结构有限元模型正确性的基础上,建立了考虑榫卯松动的残损古建筑木结构有限元模型,通过对残损
2、古建筑木结构模型在地震作用下的模态分析和动力响应分析,探讨了榫卯松动对古建筑木结构动力特性和动力响应的影响。结果表明:榫卯松动的古建筑木结构自振频率较完好结构的低,且随榫卯连接残损程度的增大,模型自振频率显著降低;残损结构柱脚加速度响应和位移响应、柱架加速度响应及模型结构基底剪力较完好结构的小,柱架位移响应较完好结构的大,且随榫卯连接残损程度的增大,柱脚加速度响应和位移响应、柱架加速度响应及模型结构基底剪力明显变小,柱架位移响应显著变大。随 PGA 的增大,残损结构模型累积耗能不断变大;随榫卯连接残损程度的增大,模型各结构层的累积耗能先逐渐增大,当松动量超过一定值后,其累积耗能不断减小。关键词
3、:残损木结构;榫卯松动;地震响应;有限元分析中图分类号:TU366.2;TU311.3 文献标志码:A 文章编号:1004-4523(2023)04-1083-11 DOI:10.16385/ki.issn.1004-4523.2023.04.0221概述古建筑木结构不仅是悠悠五千载华夏文明的结晶,更是世界历史长河中的稀世珍宝1。然而,因木材耐久性较差,致使现存古建筑木结构处于不同程度的残损状态,其中榫卯连接松动(如图 1 所示)是其主要残损形式之一,榫卯连接作为古建筑木结构的重要耗能构件,对古建筑木结构的抗震性能有显著影响2。因此,亟需对考虑榫卯松动的古建筑木结构的结构特性和抗震性能进行深入
4、系统地研究。目前,国内外学者对古建筑木结构的研究主要集中于完好木柱、榫卯连接、斗栱及整体结构。王娟等3对殿堂式古建筑木结构木柱进行了受力机理分析,得到了摇摆柱顶部荷载水平位移力学模型。谢启芳等4对局部残损木柱进行了轴心受压试验,获得了残损木柱的破坏模式,分析了其承载力和刚度退化规律。王明谦等5对带木销半榫连接进行了单调加载试验和数值模拟,分析了带木销半榫连接的转动性能。Chen 等6对燕尾榫连接进行了单调加载试验,得到了连接的弯矩转角关系曲线和破坏形态。Ma等7对松动透榫连接进行了拟静力试验,得到了其破坏模式,分析了其在水平往复荷载下的受力机理,推导了松动透榫连接的弯矩转角理论关系。Li 等8
5、对双跨木构架进行了低周往复荷载试图 1 古建筑木结构榫卯连接松动实例Fig.1 The example of mortise-tenon looseness in ancient timber structures收稿日期:2021-11-17;修订日期:2022-03-22基金项目:国家自然科学基金资助项目(52278317);陕西省自然科学基础研究计划重点项目(2020JZ-50);山西省基础研究计划资助项目(20210302124117);陕西省自然科学基础研究基金资助项目(2022JM-223)。振 动 工 程 学 报第 36 卷验,得到了其破坏模式、滞回特性、强度及刚度退化。吴亚杰等
6、9分析了斗栱在竖向和水平荷载作用下的摇摆和剪切抗侧机制,建立了斗栱抗侧荷载位移关系的解析模型。张锡成等10基于殿堂式古建筑木结构振动台试验模型,建立了三维非线性扩展离散元模型,将其计算结果与振动台试验结果进行对比,验证了离散元模型的有效性。已有研究较全面地分析了完好古建筑木结构的结构特性,然而对考虑残损古建筑木结构的研究较少47。本文通过完好古建筑木结构模型的振动台试验11,获得了完好古建筑木结构的破坏模式、动力特性、加速度和位移时程曲线,建立了完好古建筑木结构有限元模型,在验证模型正确性的基础上,建立了考虑榫卯松动的残损古建筑木结构有限元模型,分析了残损模型在地震作用下的动力响应,探讨了榫卯
7、松动对古建筑木结构动力特性和动力响应的影响。2完好结构有限元模型的验证2.1完好结构有限元模型的建立以某景区二等材古建筑木结构为原型,参考清工部 工程做法则例 中的相关规定,选用俄罗斯红松制作了 1 个四柱单间木结构试验模型(如图 2 所示),结合现有实验室实际情况,为便于试件制作和试验加载,将模型的缩尺比取为 1 3.52,柱础选用抛光的青石,由螺栓固定在振动台上,柱与枋通过燕尾榫连接,斗栱平坐于平板枋上,屋盖由 2400 mm2400 mm250 mm 的混凝土配重块代替,木材的材性指标如表 1所示。试验在西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室的水平单向电液伺服振动台上进行,详细的
8、加载方案和试验过程见文献 11。本文采用 OpenSees 有限元程序建立完好古建筑木结构有限元模型,其尺寸与试验模型相同,各部件单元选取和材料定义如表 1所示。2.1.1 柱和枋的模拟在地震作用下,完好古建筑木结构的破坏主要发生在榫卯连接和斗栱处(见图 3)11,柱和枋的主体基本处于弹性状态,未发生明显破坏,且主要为顺纹方向受力,故将柱和枋取为弹性梁柱单元(elasticBeamColumn element),其弹性模量为木材顺纹方向弹性模量。2.1.2 柱脚连接的模拟在振动台试验中,柱脚仅发生轻微抬升,故本文忽略柱脚的抬升,仅考虑柱脚的滑移和转动,采用水平滑动支座单元(flatSlider
9、Bearing element)来模拟柱脚连接,该单元可以通过构造两节点间零长度的图 2 试验模型及其尺寸11(单位:mm)Fig.2 Test model and its dimensions11(Unit:mm)表 1 材性指标Tab.1 Indices of woodEL/MPa10109ET/MPa274ER/MPa654LR0.02LT0.04RT0.30GLR/MPa210GLT/MPa275GRT/MPa650注:E,和 G分别为木材的弹性模量、泊松比、剪切模量;下标 L,T和 R分别为木材的顺纹方向、横纹弦向、横纹径向。1084第 4 期马林林,等:考虑榫卯松动的古建筑木结构地
10、震响应分析水平滑移支座来模拟柱脚的摩擦滑移特性,沿支座竖直方向(z 轴)的材料弹性模量设为,该单元具有沿 x 和 y 轴(振动台加载方向为 x 轴,水平面内垂直于加载方向为 y轴,竖直方向为 z轴)的平动刚度,摩擦模型定义为库仑摩擦,通过 frictionModel Coulomb 命 令 来 实 现,依 据 文 献12摩 擦 系 数 取 为0.33。不约束柱脚绕 x,y 和 z 轴的转动刚度以此来模拟柱脚的转动,通过将绕 x,y和 z轴转动方向的材料(uniaxialMaterial Elastic)弹 性 模 量 设 置 为 1 来实现。2.1.3 榫卯连接的模拟可将榫卯连接的力学特性简化
11、为一个非线性弹簧(如图 4 所示),采用零长度单元(zeroLength element)模拟,该单元具有沿 x,y 和 z轴的平动刚度和绕 x,y和 z轴的转动刚度,不同方向的材料属性均可由单轴材料定义。不考虑零长度单元沿 x,y 和 z轴的平动刚度及绕 x和 z轴的转动刚度,通过 equalDof命令耦合零长度单元节点相应的自由度来实现。仅考虑榫卯连接绕 y 轴的转动,该方向的材料取为单轴自复位材料(uniaxialMaterial SelfCentering Material),模拟榫卯节点在水平循环荷载下摩擦滑移的滞回特性13。2.1.4 斗栱的模拟采用两节点连接单元(twoNodeL
12、ink element)来模拟斗栱。因振动台试验为单向加载且加载过程中斗栱未发生明显的平面外扭转,因此该单元不考虑沿 y 和 z 轴的平动刚度及绕 x 和 z 轴的转动刚度,同时将其设为,仅考虑该单元沿 x 轴的平动刚度和绕 y轴的转动刚度,通过将沿 x轴平动和绕 y轴转动方向的材料属性设置为 uniaxialMaterial Hysteretic Material 和 uniaxialMaterial ElasticPP 来实现,模拟斗栱具有较好耗能性能和延性的滞回特性1。2.1.5 屋盖的模拟用壳单元来模拟混凝土板,壳单元与枋的连接设为铰接。各单元通过节点坐标形成空间结构,定义与试验模型一
13、致的边界条件,完好古建筑木结构有限元模型如图 5 所示,输入与试验相同的工况对有限元模型进行模态分析和动力响应计算。2.2古建筑木结构有限元模型的验证表 2 列出了有限元模型的前六阶自振频率及周期。由表 2 可知,完好有限元模型前三阶自振周期依次为 0.53,0.53 和 0.44 s,与试验模型前三阶自振周期(依次为 0.49,0.49和 0.38 s11)依次相差 7.5%,7.5%和 13.6%;完好有限元模型前三阶自振频率依次为 1.89,1.89 和 2.27 Hz,与试验模型前三阶自振频 率(依 次 为 2.05,2.05 和 2.63 Hz11)依 次 相 差7.8%,7.8%和
14、 13.7%,两者基本吻合。由T=2m k可知,在其他条件一定的情况下,有限元模型自振周期高于试验模型自振周期主要是因为有限元模型的刚度略小于试验模型的刚度。对比有限元模型和试验模型可知,在有限元建模过程中未考虑柱头平板枋对燕尾榫连接转动刚度的影响,同时,分析模型将上部混凝土板简化为壳单元,仅考虑了板自重对有限元模型结构性能的影响,图 3 完好古建筑木结构破坏模式11Fig.3 Failure modes of intact ancient timber structure11图 4 榫卯连接简化模型Fig.4 Simplified model of mortisetenon connecti
15、on图 5 完好古建筑木结构有限元模型Fig.5 FEM of intact ancient timber structure1085振 动 工 程 学 报第 36 卷未考虑板底凹槽对下部结构的约束作用,使有限元模型的整体刚度偏小,进而增大了有限元模型的自振周期,降低了其自振频率。图 6 给出了完好模型加速度、相对位移时程曲线的计算结果和试验结果,并标出了最大加速度和最大相对位移的出现时刻。由图 6 可知,计算结果与试验结果变化趋势基本吻合,最大加速度、最大相对位移基本在同一时刻出现。在地面峰值加速度(PGA)为 0.20g 时,因结构开始摆动,柱脚和榫卯连接处木材开始出现塑性变形,结构内部出
16、现损伤,然而滑动支座单元(flatSliderBearing element)和零长度单元(zeroLength element)均忽略了损伤计算,同时试验所用木材并非理想中的均质、完好材料,可能存在节子、腐朽、裂纹和伤疤等原始缺陷,以及制作误差,因此,计算结果与试验结果出现一定差异,但误差相对较小,且两者变化趋势仍较为一致。综上所述,有限元模型与试验模型的分析结果基本吻合,表明两者的模态参数和动力响应基本一致,验证了有限元建模方法的合理性和计算分析的正确性。3残损结构有限元模型的建立在验证完好古建筑木结构有限元模型正确性的基础上,建立了考虑榫卯松动的古建筑木结构有限元模型。若考虑不同位置榫卯
17、残损程度的不同,则结构的残损组合过多,因本文篇幅有限,故将结构中所有榫卯连接的残损程度视为同一值。依据本文2.1 节中的单元建立了残损古建筑木结构有限元模型,由榫卯连接松动量的不同,依次建立计算模型DS1,DS2,DS3,DS4 和 DS5,结构中榫卯连接的残损程度(残损程度为削去的榫头长度与榫头总长 度 的 比 值)依 次 为 0,6.7%,13.3%,20.0%和26.7%。残损结构与完好结构相比,除榫卯连接零长度单元参数不同外,其余构件单元参数与完好结构均相同。图 7 给出了不同残损程度燕尾榫连接的弯矩转角关系曲线。由图 7可知随残损程度的增大,燕尾榫连接的抗弯刚度逐渐变小,抗弯承载力不
18、断减小14,结合文献 1314 可得模拟榫卯连接的零长度单元的材料参数(如表 3所示)。表 2 计算模型的自振频率及周期Tab.2 Natural frequencies and periods of calculation model振型123456自振周期 T/s0.530.530.440.120.120.10自振频率 f/Hz1.891.892.278.338.3310.00图 6 完好模型计算结果与试验结果对比图Fig.6 Comparison diagram of calculated results and test results of intact model1086第 4 期
19、马林林,等:考虑榫卯松动的古建筑木结构地震响应分析4残损木结构地震响应分析4.1模态分析表 4列出了残损古建筑木结构模型前两阶自振周期及频率。图 8给出了残损古建筑木结构模型前两阶自振周期及频率随榫卯连接残损程度的变化曲线。由表 4 和图 8 可知,随榫卯连接残损程度的增大,有限元模型的自振周期不断增大,自振频率不断减小,与完好结构模型 DS1相比,DS2,DS3,DS4和 DS5 的前两阶自振周期分别增大 5.7%,11.3%,18.9%和 28.3%,其 前 两 阶 自 振 频 率 分 别 减 小5.3%,10.6%,16.4%和 22.8%。主要是因为本文零长度单元参数是基于以切削榫头长
20、度的方式来模拟榫卯连接松动的拟静力试验结果,随榫卯连接残损程度的增大,榫卯连接间的接触面积不断减小,致使榫卯连接的转动刚度越来越小,模型的整体刚度不断减小,由T=2m k可知,模型的自振周期不断增大,自振频率不断减小。4.2加速度响应在 OpenSees 有限元程序中输入与试验相同的地震波工况,对考虑榫卯松动的古建筑木结构有限元模型进行动力时程分析,获得关键节点处的加速度响应时程曲线,因篇幅有限仅列出模型在 El Centro 波作用下的加速度时程曲线。由振动台试验结果可知,柱架顶部和屋盖处动力时程响应差异较小,故此处仅列出考虑榫卯连接松动的古建筑木结构有限元模型柱脚和柱架顶部的加速度时程曲线
21、,如图9所示。由图 9可知,与完好结构相比,考虑榫卯连接松动的古建筑木结构柱脚和柱架顶部的加速度时程响图 7 考虑榫卯连接松动的古建筑木结构有限元模型弯矩转角曲线Fig.7 Moment rotation curves of ancient timber structure FEM considering mortisetenon looseness表 3 残损模型中零长度单元材料参数值Tab.3 Material parameter values of zero length element in damage model模型编号DS-1DS-2DS-3DS-4DS-5初始刚度k1/(Nmm
22、1)1008897792706591屈服后刚度k2/(Nmm1)10190797159屈服荷载sigAct/N1012911803697602滑移变形epsSlip/mm4038373635最大变形epsBear/mm5050505050表 4 残损结构有限元模型自振周期及频率Tab.4 Natural periods and frequencies of damaged structure FEM模型编号DS-1DS-2DS-3DS-4DS-5T1/s0.530.560.590.630.68T2/s0.530.560.590.630.68f1/Hz1.891.791.691.581.46f2
23、/Hz1.891.791.691.581.46注:T1和 T2分别为有限元模型前两阶自振周期;f1和 f2分别为有限元模型前两阶自振频率。图 8 模型自振周期和频率随榫卯连接残损程度的变化曲线Fig.8 The variation curves of natural periods and frequencies with damage degree of mortise-tenon connections of the model1087振 动 工 程 学 报第 36 卷应较小,且随松动量的增加,加速度时程响应越来越小。主要是因为榫卯连接松动后,其转动刚度减小,致使模型整体刚度减小,减小了柱
24、脚和柱架顶部的加速度时程响应。图 10 给出了不同地震作用下考虑榫卯连接松动的古建筑木结构有限元模型柱脚和柱架顶部的加速度峰值。表 5列出了不同地震作用下考虑榫卯连接松动的古建筑木结构有限元模型柱脚和柱架顶部的加速度峰值。由图 10 和表 5 可知,随榫卯连接残损程度的增大,有限元模型的柱脚和柱架顶部加速度峰值不断减小;随 PGA 的增大,不同松动量的模型间加速度峰值的降幅不断增大。当 PGA 为 0.07g 时,与完好结构模型 DS1 相比,DS2,DS3,DS4 和 DS5 的柱 脚 加 速 度 峰 值 分 别 减 小 1.4%,4.2%,5.6%和8.3%,其 柱 架 顶 部 加 速 度
25、 峰 值 分 别 减 小 4.3%,10.6%,14.9%和 19.1%;当 PGA 为 0.62g 时,与完好结构模型 DS1 相比,DS2,DS3,DS4 和 DS5的柱脚加速度峰值分别减小 2.0%,6.0%,16.0%和23.0%,其 柱 架 顶 部 加 速 度 峰 值 分 别 减 小 2.6%,13.5%,23.9%和 40.0%。究其原因,主要是因为随榫卯连接残损程度的增大,榫卯连接间的接触面积不断减小,榫卯连接的转动刚度越来越小,致使模型的整体刚度不断减小,其加速度响应变小,随PGA 的 增 大,结 构 加 速 度 响 应 变 小 的 程 度 被放大。图 11 给出了不同地震作用
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 考虑 松动 古建筑 木结构 地震 响应 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。