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嘉峪关关楼抗震性能分析及研究保护

作　者: 祝松涛
导　师: 高大峰
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 嘉峪关关楼清式小木作多层木结构承载力分析动力分析
分类号: TU366.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 4次
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内容摘要

中国木结构古建筑不仅是我国重要的物质文化遗产，而且是广大劳动人民的智慧结晶，其重要的科学性值得我们研究学习。本文以嘉峪关关楼为研究对象，旨在揭示清代多层小式木作结构的整体抗震性能，为其保护、修缮、加固提供可靠的理论依据和技术参考资料，并给现代建筑结构设计与抗震研究提供重要的抗震隔震理念。本文首先对传统的清代多层木作结构的构造特点进行了阐述，并且结合相关文献对其结构进行了力学特性的理论研究分析和抗震机理的研究分析。分析结果表明：清代木结构古建筑具有良好的抗震、隔震性能，其主要体现在，柱础间平摆浮搁式连接的隔震，梁柱间榫卯连接的摩擦耗能减震及斗栱铺作层的隔震与减震。其次，本研究采用SAP2000有限元分析软件，结合木结构的构造特点和力学特性，通过简化整体结构建立了合理的有限元计算分析模型。通过对模型构件的承载力分析和结构动力分析，主要得出以下结论：根据现阶段我国结构设计规范的规定对结构承载计算分析可知，关楼在其所在地区抗震设防烈度内承载力满足规范要求，结构安全，且构件自身存在一定的富裕量，柱构件自身富裕量约为70%，梁构件富裕量约50%。通过模态分析，得出了结构的各阶振型及相应的频率，并且通过对各阶振型的质量参与系数的分析，得到了各阶振型的振动特性。通过对比两个柱脚不同连接方式（刚接和平摆浮搁式连接）下结构的周期，发现柱础间平摆浮搁式连接可延长结构周期约47%~57%。再根据能量平衡理论可知，结构周期的延长减少了水平地震作用，证明了平摆浮搁式连接具有一定的隔震减震作用。通过反应谱分析，得到了结构柱脚的动力放大系数0.859，结构的整体放大系数0.614。通过时程分析，得到了结构各层的动力放大系数，并且将其结果与大式木作结构在水平地震作用下的动力响应做对比，可知小式木作结构和大式木作结构有着共同的柱脚隔震特性，榫卯间耗能减震特性，不同的是小式木作结构檐柱上的斗栱仅起到装饰作用，其耗能减震作用较大式木作结构差。再通过对比小震、中震、大震等不同地震激励作用时小式木作结构同一部位的动力放大系数，发现其变化不大，这说明了和大式木作结构相比较，小式木结构的智能减震特性不是特别明显，小式木作结构的整体抗震性能没有大式木作结构良好。通过能量平衡理论的能量耗散分析，得出清代多层小式木作结构在地震作用下，其耗能减震作用主要体现在榫卯的连接上约占71.2%，柱础的隔震减震相比榫卯连接的耗能减震较小仅3.2%。最后，本文介绍了我国文物修缮、保护的基本原则，并结合日本古建筑修缮、保护的先进做法，对我国古建筑提出了相应的保护建议。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
1 绪论  11-19
  1.1 引言  11
  1.2 木结构古建筑的建筑及结构特征  11-13
  1.3 国内外研究现状及水平  13-16
  1.4 本文的研究目的和内容  16-19
2 中国木结构古建筑的构造与结构特征  19-27
  2.1 木结构的组成与构造  19-24
  2.2 多层建筑的构造  24-25
  2.3 木结构的结构特性  25-26
    2.3.1 柱脚与础石的连接力学特性  25
    2.3.2 梁柱榫卯连接力学特性  25-26
    2.3.3 斗栱的力学特性  26
  2.4 本章小结  26-27
3 木材的特性研究与基本力学方程  27-33
  3.1 木材的正交各向异性  27-28
  3.2 木材顺纹受拉、受压、受剪和弯曲强度  28-29
  3.3 木材横纹承压性质  29
  3.4 木材顺纹受剪性质  29
  3.5 木材拉、压、剪及弯曲弹性模量  29-30
  3.6 木材的材料属性  30
  3.7 影响木材强度的因素  30-31
  3.8 基本力学方程  31-32
  3.9 本章小结  32-33
4 有限元模型建立及结构承载力分析  33-47
  4.1 有限单元法概述  33
  4.2 有限元 SAP2000 软件的简述  33-34
  4.3 工程概况  34-35
  4.4 有限单元模型的建立  35-39
    4.4.1 柱与基础连接的处理  35-37
    4.4.2 梁柱榫卯节点的处理  37-38
    4.4.3 斗栱的处理  38
    4.4.4 楼面板、重檐板及屋面板的处理  38-39
    4.4.5 外围护墙及门窗装饰等处理  39
    4.4.6 嘉峪关关楼模型  39
  4.5 结构承载力分析  39-45
    4.5.1 计算荷载  39-41
    4.5.2 荷载效应及地震作用下的荷载组合  41-42
    4.5.3 结构内力分析  42-43
    4.5.4 构件承载力复核  43-45
  4.6 本章小结  45-47
5 关楼结构动力分析  47-84
  5.1 模态分析  47-51
    5.1.1 模态分析基本概念与理论  47-48
    5.1.2 模态分析结果  48-50
    5.1.3 结构周期分析  50-51
  5.2 反应谱分析  51-57
    5.2.1 反应谱分析的基本理论与方法  51-52
    5.2.2 多自由度体系振型组合基本理论与方法  52-54
    5.2.3 地震作用  54-55
    5.2.4 反应谱分析结果  55-57
  5.3 动力时程分析  57-79
    5.3.1 时程分析法的基本概念和理论  57-61
    5.3.2 时程分析结果  61-79
  5.4 能量分析  79-81
    5.4.1 能量分析的基本理论  79
    5.4.2 能量分析结果  79-81
  5.5 本章小结  81-84
6 木结构古建筑的保护  84-90
  6.1 古建筑保护和修缮原则  84-85
  6.2 新材料使用问题  85
  6.3 日本古建筑保护修缮几个特色  85-88
  6.4 嘉峪关关楼的修缮建议  88-89
  6.5 本章小结  89-90
7 结论及展望  90-92
  7.1 主要研究内容及结论  90-91
  7.2 研究展望  91-92
参考文献  92-98
致谢  98-100
附录研究生期间发表论文  100

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