木结构古建筑结构特性的计算研究.pdf

第18卷第1期工程力学 2001年 2 月 ENGINEERING MECHANICS Feb. 2001 收稿日期1999-05-29 修订日期1999-06-10 作者简介方东平(1963)男副教授博士从事结构工程和工程管理研究文章编号1000-4750(2001)01-137-08 木结构古建筑结构特性的计算研究方东平 1俞茂鋐 2宫本裕 3岩崎正二 3彦坂熙 4 (1. 清华大学土木工程系,北京100084; 2. 西安交通大学建工系,西安710049; 3. 日本岩手大学工学部建设环境工学科, 盛冈, 日本4. 日本九州大学工学部土木工学科, 福冈, 日本) 摘要对蕴藏丰富历史文化信息的中国古建筑的研究和保护是抢救中华文化遗产的重要内容本文在木结构古建筑结构特性实验研究的基础上通过定义和引入反映木结构古建筑斗栱与榫卯节点特性的半刚性节点单元建立适合木结构古建筑特点的3维有限元计算模型和分析方法研制了有限元动力分析软件SAFATS利用现场实测和模型实验结果采用Simplex方法反演推断半刚性节点平均刚度的范围通过有限元动力计算以及与现场实验和模型实验结果的对比分析获得了西安北门箭楼的前6阶振动模态关键词木结构古建筑半刚性节点有限元动力特性中图分类号TU366 文献标识码A 1 前言中国古建筑是中华文明的重要组成部分尤其是木结构古建筑数量众多且蕴含丰富的历史文化信息随着时间的推延其结构抗力日渐衰退对这类文物的保护已是刻不容缓木结构古建筑虽然可被视为一种梁柱结构体系但斗栱和榫卯等连接方式使其具有显著特点 [1]梁思成[2]曾对中国木结构古建筑进行了大量调查研究主要从建筑和结构形式上进行解读分类马炳坚[3]对这类建筑的营造方法和结构特点进行了系统归纳王天[4]对以结构自重为主的纵向荷载传递路径及其在各构件中的分配进行了探讨但以上研究均未涉及动力学方面的内容更没有用有限元方法进行过3维动力分析而在中国及日本等地震多发地区木结构古建筑的抗震保护显得尤为重要本文在木结构古建筑结构特性实验研究[5]的基础上通过定义和引入反映木结构古建筑斗栱与榫卯节点特性的半刚性节点单元建立针对木结构古建筑的3维有限元计算模型编制了3维有限元动力及地震响应分析程序SAFATS对西安北门箭楼的动力特性进万方数据 138 工程力学行了深入分析讨论 2 木结构古建筑的有限元计算模型尽管许多木结构古建筑有砖墙作为维护结构但它们并不承担竖向荷载并且由于木构件通风防腐的要求木结构与维护结构之间均留有间隙因此本研究在不考虑砖墙对木结构特性影响的条件下采用杆件单元和半刚性单元建立木结构古建筑的有限元模型下文介绍的建立有限元计算模型的方法适用于所有木结构古建筑 斗栱和榫卯等半刚性节点的计算模型木结构古建筑在结构上最显著的特点是使用了斗栱和榫卯等半刚性节点本文采用如图1 所示的3维半刚性节点单元来描述斗栱和榫卯节点在不同方向上的刚度其中i,j是有限元模型中的两个结点它们具有相同的坐标该单元没有质量也没有几何尺寸其单元刚度矩阵如式 1所示????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????= ?????????????????????????????????????????? K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K K M M M F F F M M M F F F q q q d d d q q q d d d (1) 其中 zi yi xi zi yi xi F F F , , , , , d d d 分别为结点i沿x, y, z轴方向的位移和受力 zi yi xi zi yi xi M M M , , , , , q q q 分别为结点i沿x, y, z轴矢量方向的转角和扭矩 z y x K K K , , 分别为半刚性节点单元对应于x, y, z轴方向位移的拉压刚度 z y x K K K q q q , , 分别为半刚性节点单元对应于x, y, z轴方向转角的抗扭刚度图1 半刚性节点单元万方数据木结构古建筑结构特性的计算研究 139 具体刚度参数的确定将在下文中讨论 结构的计算模型与边界条件以西安北门箭楼[5]为例建立木结构古建筑计算模型由于该结构对于南北中线对称将图2所示箭楼木结构的西半部简化为杆系结构有限元计算模型其中杆件单元208个半刚性节点单元162个有限元结点280个由于屋面的刚度很大[5]可以认为是刚性的因此可以通过大幅增加屋面杆件的截面积和刚结屋面部分的节点来近似各层楼板由于与梁的连接稀松薄弱且其自身刚度