中国古建筑木结构模型的振动台试验研究.pdf

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1、中国古建筑木结构模型的振动台试验研究薛建阳 赵鸿铁 张鹏程(西安建筑科技大学)摘要:通过一殿堂木结构 1B3152 模型的模拟地震振动台试验,研究了结构动力特性及地震反应的变化规律。将榫卯和斗拱的力学模型比拟为变刚度弹簧单元,进行了动力时程分析。结果表明,由于大震下柱底与础石的滑移和榫卯与斗拱的摩擦阻尼作用,大幅度减少了上部结构的地震响应。因此,中国古建筑木结构具有良好的耗能与减震性能,它所蕴涵的受力机理,对现代建筑也有一定的借鉴作用。关键词:中国古建筑木结构;振动台试验;动力反应;变刚度弹簧;耗能中图分类号:TU317 TU36 文献标识码:A文章编号:1000-131X(2004)06-0

2、006-06STUDY ON THE SEISMIC BEHAVIORS OF CHINESE ANCIENT WOODENBUILDING BY SHAKING TABLE TESTXue Jianyang Zhao Hongtie Zhang Pengcheng(Xi.anUniversity of Architecture and Technology)Abstract:A model was made according to the actual Chinese ancient wooden palace with a scale of 1P 3152 of the prototyp

3、estructure,on which the shaking table experiment was carried out.The dynamic characteristics and the change rules of fre-quency and damping ratio were tested,and the seismic responses of the model were also obtained.By simulating the state ofmortise-tenon joint and Dougong with the unit of varied st

4、iffness spring,time-history responses of the structure were analyzed.It is shown that the seismic responses of the roof are reduced significantly due to the slide between column footing and pierstone,as well as action of friction damping of Dougong and mortise-tenon joint under strong earthquake.The

5、refore,Chineseancient wooden buildings exhibit good behaviors of energy dissipation and vibration reduction,the mechanical principles con-tained in those buildings can be very useful reference for modern buildings as well.Keywords:Chinese ancient wooden building;shaking table test;seismic response;v

6、aried stiffness spring;energy dissipation收稿日期:2002-04-18,收到修改稿日期:2002-10-15国家自然科学基金资助项目(59878043);陕西省自然科学基础研究计划项目(98C09)1 前 言中国古代大型木构建筑具有良好的抗震性能这一事实已经引起国内外众多专家学者的广泛兴趣,他们通过文献追踪、实物考察及震害调查等手段 1,在逐步摸清古建筑木结构的结构构造、构建思想的基础上,对其抗震机理进行了分析 2 5,指出榫卯连接的柔性、斗拱的转动和挤压变形是结构减震耗能的主要原因。本文按照宋代(公元 960 年 1279 年)营造法式的规定,制作了

7、模型试件,进行了模拟地震振动台试验,获得了丰富的测试数据。这不仅有助于准确而深刻地揭示古代木构建筑的抗震机理,而且对于现代结构的减震控震设计也有非常重要的指导作用。2 试验概况211 模型设计及制作模型取自一殿堂式建筑,抽取其中一个典型的单间构架。模型缩尺比为 1B3152,制作工艺严格遵守宋代营造法式的规定。柱础石选用青石板,表面粗磨光。柱架选材为东北红松,柱与额枋间采用燕尾榫连接,柱头上安装普拍枋。由于斗拱尺寸精细,缩尺模型难于用红松加工,故改用阔叶硬材山榆木。栌斗底坐落于普拍枋之上,斗拱上施加木衬梁,上面嵌固250mm 厚钢筋混凝土板,以模拟大屋顶屋面荷载。经计算,模型的配重相当于 14

8、kNP m2,与原型结构相似。试件形式及各部分尺寸见图 1。212 加荷方案及测点布置按照古建筑木结构营造方法,结构竖向分层,故将四块柱础石固定于振动台面,将木构架直接置于其 第 37卷 第 6期土 木 工 程 学 报Vol137 No 16 2 0 0 4 年 6 月CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNALJun1 2004图 1 模型形式及构造Fig 11 Form and construction of test model上,相当于浮搁。为避免大震时柱子发生较大移动而滑出柱础石,在础石的外侧焊接了环形铁圈作为限位装置。为观察柱子的滑动情况,在柱础石上用粉笔对初始位

9、置作了记号。试验是在西安建筑科技大学水平单向电液伺服振动台上进行的,在台面加速度峰值小于 4mP s2时分别输入不同强度的 E-l centro 地震波和Taft 波,之后仅用E-l centro 波,并逐步加大地震输入加速度峰值直至结构破坏。在振动台台面、柱脚、柱顶及屋盖上分别安装了拾振器以采集各测点的位移反应和加速度反应。在柱顶和额枋端部的木材上分别粘贴了电阻应变片,以获得各受力阶段模型的内力变化情况。在振前和各级地震波激振之后,都对模型进行了敲击试验,以了解结构动力特性的变化规律。3 试验结果及分析311 受力过程简述在输入的地震波加速度峰值为 2111mP s2以前,模型的地震反应较小

10、,四根柱的振动比较均匀,保持同步。当输入的地震加速度峰值达到 2111mP s2以后,木构架在振动过程中发出/吱吱0 的摩擦声响,但榫卯部位没有明显的拔榫现象,柱根也未见滑移。当输入的E-l centro 波加速度峰值达到 4119mP s2时,有一根柱的柱底发生微小滑动,大致偏离初始位置约 5mm,模型有明显的扭转振动现象,但榫卯节点仍然完好。继续增大地震波加速度峰值,模型振动逐渐加剧,四根柱的柱根都发生滑动。当输入的加速度达到 8177mPs2,栌斗与柱头间也出现了相对滑动,栌斗偏离原来的位置,重心偏移最大达 13mm。当台面加速度峰值达到 11118mP s2时,木构架的侧向变形已经很大

11、,柱根最大滑移也近 22mm,但依然没有倾倒,只有一个节点的榫头略微往外拔出约 312mm,构架整体仍保持相当好的强度和稳定性。这时,为保证测试仪表的安全,拆除掉各柱头和柱根的拾振器。随台面输入的加速度进一步增大,模型反应强烈,发生较大幅度的扭转振动。当输入波的加速度峰值为 16121mP s2时,构架位移缓慢,但数值很大,伴随/轰0 的一声巨响,发生整体倒塌。由于采取了安全防护措施,配重块被厂房上面吊车钩住,因此并没有掉落振动台面。将散落的各木构件整理时发现,柱与额枋的榫卯连接处,木材局部发生纵向劈裂,榫从卯中拔出,导致构架整体破坏。应当说明的是,柱头及额枋端部自始至终处于弹性阶段,应变变化

12、很小,远未达到木材的抗拉极限强度。312 动力特性通过对敲击试验信号进行分析,得到构架的动力参数,表1 列出了模型在不同试验阶段的自振频率和阻尼比。由表可见,其值变化不大,这可能有两个方面原因,一是由于模型的柱脚浮搁于础石之上,在地震动作用下,柱架和斗拱可以自由转动和滑动从而耗散地震能量,二是由于榫卯连接具有很大的柔性,梁、柱内力始终很小,木构架不会发生弯曲破坏,结构总处于弹性阶段。试验测得的阻尼比数值偏低,这主要是因为敲击试验只能激发起微幅振动,这与地震作用下结构的实际振动,特别是大震下的振动特性存在很大差别,如斗拱中各部件的挤压变形、榫卯的转动刚度、柱底的摩擦滑移等都会发生较大变化,因此#

13、7#第 37卷 第 6 期薛建阳等#中国古建筑木结构模型的振动台试验研究笔者以为由敲击试验测得的结构动力参数并不能准确地反映各阶段木构件真实的力学行为。此方面的研究有待进一步深入。表 1 构架的自振频率和阻尼比Table 1 Vibration frequency and damping ratio of the model台面峰值加速度(m P s2)00158211141198177基本频率(Hz)2 1622154215321512146阻尼比(%)2 1912193219321923106313 加速度反应表2 列出了不同地震波作用下模型各部位加速度反应的平均值及其屋盖的动力系数。不难

14、看出,模型对于 E-l centro 波和Taft 波的反应规律基本相同,即随着台面输入加速度峰值的提高,模型的地震反应逐渐增大,但动力系数相应减小,这说明了随着地震动的加剧,模型各部位,尤其是连接部位的变形更加充分,阻尼力逐渐增大,隔震效果变得明显。值得注意的是,模型顶点的动力系数最大为 0179,远低于现代一般建筑结构(2125)。图 2 给出了不同加速度峰值的E-l centro 波作用下模型各点的加速度时程曲线。由图可见,当输入地震波的加速度峰值较小时(0158mPs2),柱根与台面加速度时程曲线基本重合,说明此时柱础浮置构造无隔震效果。再比较屋顶与柱头的加速度反应,二者相差不大,说明

15、榫卯与斗拱的减震作用不是很明显。随着输入加速度峰值的逐步增大,柱头的地震反应增长很快,而当柱根相对于振动台面发生较明显的滑动时(4119mP s2),柱头的加速度反应也大幅降低,但始终大于屋盖处的反应。在台面加速度达到 11118mP s2时,屋盖的最大加速度反应反而减小,说明斗拱层出现了较大滑移。最后时刻台面输入的加速度峰值达到 16121mP s2,而屋盖处的反应只有1177mP s2,与以前各受力阶段相比增长很小,表明榫卯连接和斗拱的分层构造和转动具有更加明显的减震作用,可以大幅度降低大屋盖的地震反应,这对房屋整体的防倒塌非常有利。图 2 加速度反应曲线Fig12 Curves of A

16、cceleration response表 2 模型的加速度反应Table 2 Acceleration responses of the test model输入波台面加速度峰值(m Ps2)柱脚最大加速度(m P s2)柱头最大加速度(m Ps2)屋盖最大加速度(m P s2)动力放大系数EL-centro0 15801660 156014601791 10711601 188016801642 11121572 136019301443 11531714 144110901354 11941291 187112901316 13961732 104114701238 17791952 1

17、691171011911118111865 17211590114Taft0 15601590 161014701841 10611111 178016201581 19521142 180018901463 10531353 193111001364 10241265 11311220130#8#土 木 工 程 学 报2004年表 3 模型的位移反应Table 3 Displacement responses of the test model输入波台面加速度峰值(m Ps2)柱脚与台面的最大位移差(mm)柱头与柱脚的最大位移差(mm)屋盖与柱头的最大位移差(mm)EL-centro0 15

18、801532 11511301 10711183 15721332 11121969 19721843 115411414 12341564 119512315 19741776 139912825 10971808 1771717342 1401611211 1182116644 19114156Taft0 15601451 17211421 10611083 18811531 19521189 11121543 105416915 17461264 102518922 1028129314 位移反应将不同地震波作用下模型各点的相对位移反应实测结果列于表 3,可以看出,当台面地震波加速度峰值

19、在 0158mP s2至 4119mP s2之间时,尽管柱根与础石之间有小量位移差,也不能认定柱根发生了滑移,因为柱根的拾振器略高于础石顶面,这时结构整体绕柱根发生转动。理论上讲,当柱根的加速度反应与重力加速度的比值超过木柱与光滑础石间的摩擦系数时,柱子开始滑动,则输入到构架上部的地震作用就会随之降低,从而起到减震作用。经试验测量,木柱与光滑础石间的最大静摩擦系数约为 014 015。随着输入台面加速度峰值的逐级增大,屋盖与柱头间位移差变大,柱头的摆动也逐渐加大,当台面加速度峰值达到8177mP s2时,屋盖(斗拱)与柱头间发生了明显 的相对 滑动,柱 头的最 大摆幅 也达 到44191mm。

20、可以断定,这时榫卯内部的局部挤压力和剪切力已经较大,如果榫卯间相对变形引起的拔榫力超过榫头的顺纹抗剪强度,榫便会从卯口中拔出。但在此之前,各构件和连接节点在整体上仍处于弹性状态。4 动力分析411 计算模型由于中国古建筑构造的特殊性,其地震反应机理的分析比较复杂,本文在此做一些探索。在水平地震作用下,柱根不发生滑动时,柱子可以在原位自由摆动,柱与础石的连接可简化为固定铰支座。当柱根发生相对滑动后,可在动力方程中引入摩擦力向量加以考虑。构架的柱头与额枋的连接采用榫卯连接,斗拱也可发生转动,随着结构变形的增加,这种连接的刚度也在发生变化,相当于一个变刚度弹簧,并能承受一定的弯矩,力学模型可以取为半

21、刚性结点。在强震作用下,屋盖(斗拱)与柱头间也出现相对滑动,并通过摩擦阻尼来耗散地震能量,因此可通过调整阻尼,即采用等效阻尼的方法进行计算。图 3 变刚度杆单元Fig13 Element of varied stiffness对于图 3 所示的两端半刚性约束的杆单元,在杆端弯矩 MA、MB作用下发生变形,则端弯矩如 MA可以写为MA=Auf6EIblbHA(1)其中 EIb为梁的弯曲刚度;lb为梁单元长度;HA为节点A 的转角。图 3 中的 RKA为节点 A 的弹簧系数,它随着杆件受力情况的不同而发生变化。根据文献 6,不同节点约束条件下系数 Au f的计算公式见表4,式中R*=1+4EIbl

22、bRkA1+4EIblbRkB-EIblb24RkARkB(2)表 4 系数 Auf的计算Table 4 Calculation of coefficient Au f杆端约束条件A 端B 端Auf半刚接铰接(12)P(1+3EIblbRkA)半刚接半刚接(1+2EIblbRkB)PR*#9#第 37卷 第 6 期薛建阳等#中国古建筑木结构模型的振动台试验研究 若定义 r=EIblbRki,则 r 为一变量,它可以用来描述节点的刚性。如果 r 很小时(如 r=01001),表示节点为刚性状态;如果 r 很大时(如 r=100),则基本处于铰接状态;如果 r 介于这两者之间时,则可以模拟节点任意

23、一种半刚接状态。412 动力分析结果采用杆系有限元方法进行分析,将屋盖的重量分别向柱头集中。每个杆件相当于变刚度单元,连接处的刚性由榫卯节点和斗拱层共同提供。结构的动力方程可写为 m x#+c x +k x#=-m x#+f(3)其中 m、c、k 分别为结构的质量矩阵、等效阻尼矩阵和刚度矩阵,x#、x#、x 分别为结构的加速度、速度和位移反应,x#0 为输入的台面加速度,f 为摩擦力向量。表 5 模型在不同 r 值时的自振频率Table 5 Fundamental frequency of tested model under different rr010010 1010 111105010

24、0基本频率(Hz)21862 18321792169214311681152 当柱根处于滑动状态时,f=L mg;当柱根处于不滑动状态时,f=0。式中 L为动摩擦系数,按库仑定律,其数值略低于最大静摩擦系数。为简化计算,认为二者近似相等。临界滑动条件为|x#0Pg|E L(4)本文取 L=014。等效阻尼计算采用比例阻尼假定 c=A m+B k(5)式中 A和 B可由试验结果反算确定。计算时,通过改变节点的刚性系数 r,求得模型在各级加速度峰值作用下的地震反应,见图 4。可以看出,计算值与实测值比较符合。本文还对不同受力状态下结构的自振频率进行了计算,表 5给出了各种 r 取值条件下模型的一阶

25、频率,可见当 r 小于 1 时,计算结果相差不大,随着 r 值的提高,计算频率迅速减小,说明结构明显变软,榫卯及斗拱的挤压变形较大,当 r 大于 50 时,自振频率的变化又趋于平缓,连接点已接近于理想铰接状态。5 结 论本文通过比例为 1B3152 木构房屋模型的振动台试验,研究了中国古建筑木结构的动力特性及其地震反应,得到以下主要结论:图 4 试验和计算位移曲线的比较Fig 14 Comparison of displacement curvesbetween test and calculation(1)由于柱子浮搁于础石之上,在地震动较小时,柱底与础石之间似铰接,上部结构摆动自由,柱头的

26、加速度反应较大。但由于榫卯节点及斗拱各部件之间的摩擦及其挤压变形,消耗了较多的地震能量,屋盖处的加速度反应减小,其动力系数明显低于柱底固接结构。(2)柱根的加速度反应与重力加速度的比值一旦超过木与础石之间的静摩擦系数,柱子就会发生滑动,从而减少了输入上部结构的地震能量。同理,当地面输入加速度较大时,屋盖(斗拱)与柱顶间也会出现滑动,起到了减震作用,动力系数不断降低。(3)将柱底与础石之间的连接视为铰接和相对滑#10#土 木 工 程 学 报2004年移层,榫卯连接与斗拱连接视为半刚性连接,可以进行古建筑木结构的动力时程分析。通过引入变刚度弹簧系数,并取用不同的值,能够得到结构在各受力阶段的地震响

27、应。参 考 文 献 1 梁思成.清式营造则例 M.北京:中国建筑工业出版社,1981 2 王天.古代大木作静力初探 M.北京:文物出版社,19923 俞茂宏等.西安古城墙研究)建筑结构和抗震 M.西安:西安交通大学出版社,19934 薛建阳等.中国古建筑抗震机理的探讨 J.西安建筑科技大学学报,2000,32(1):8 115 赵均海等.中国古代木结构有限元动力分析 J.土木工程学报,2000,33(1):32 356 Kishi N.,Chen W.F.,Goto Y.Effective length factor ofcolumns in semi-rigid and unbraced f

28、rames J.Journal ofStructural Engineering,1997,123(3):313 320薛建阳 博士,教授,主要从事钢筋混凝土结构、钢与混凝土组合结构、古建筑及其抗震性能的研究,发表科研论文 50 余篇,出版著作和教材 6部,主持和参与国家自然科学基金和省部自然科学研究项目 5 项。通讯地址:710055 西安建筑科技大学土木工程学院赵鸿铁 教授,博士生导师,现任中国钢协钢-混凝土组合结构协会理事,陕西省土木建筑学会结构委员会主任委员等职,主持和完成了国家自然科学基金项目 3 项,出版学术专著两部,发表论文 100余篇。张鹏程 博士,主要从事土木工程的教学和科研

29、工作。(上接第 5 页)5 结 论11高层密肋壁板结构中,墙板是主要的抗侧力构件,外框架主要抵抗弯矩,其侧移曲线属弯剪型,弯曲变形占主要成分。21高层密肋壁板结构在地震作用下,其破坏过程按/墙板内填充砌块开裂-墙板内小梁、小柱开裂-外框架角柱开裂-外框架角柱纵筋屈服0 的顺序进行,表现出良好的耗能能力。31通过试验结果分析,高层密肋壁板结构在弹性阶段工作性能类似于带暗柱剪力墙结构,工程设计时可将整片横墙等效为剪力墙,进行设计计算;进入弹塑性阶段后,其刚度退化,可将房屋沿高度分为 3-4部分分别取其退化刚度,恢复力模型可取三线退化型。41 高层密肋壁板结构,其框架柱的箍筋设置应遵循现有国家规范中

30、关于框架柱箍筋的构造要求,采取节点加密等措施,提高节点区混凝土的延性。51 对于上下墙板与楼板及暗梁的连接,应采取上下墙板框格柱筋焊接塔接、上层墙板下坐浆等措施,加强房屋的整体性。61 对于上下墙板与楼板及暗梁的连接,销键作用明显,增强了房屋的整体性。参 考 文 献1 谢强,姚谦峰.高层轻板框架抗震性能研究 D.西安:西安建筑科技大学,19982 周小真,姚谦峰.格构式轻型墙板抗震性能研究 J.西安冶金建筑学院学报,1993(1)3 田英侠,陈平.密肋复合墙板受力性能试验研究与理论分析 D.西安:西安建筑科技大学,2002姚谦峰 教授,博士生导师,从事混凝土结构及抗震减灾方面的研究工作。通讯地址:710055 西安市 西安建筑科技大学土木工程学院贾英杰 博士生,从事混凝土结构及抗震减灾方面的研究工作。#11#第 37卷 第 6 期薛建阳等#中国古建筑木结构模型的振动台试验研究