西安永宁门箭楼城墙稳定性及其结构性能分析

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中国木结构古建筑具有其独特的结构体系,是我国重要的古建筑文化遗产,具有宝贵的历史、艺术和科学研究价值,所以研究中国木结构古建筑的结构特性具有重大意义。木结构古建筑的榫卯连接是介于铰接和刚接的半刚性连接,在对木结构古建筑进行有限元分析时,常用弹簧单元模拟榫卯连接的半刚接特性,本文采用非线性接触法得到了榫卯连接的各方向刚度值。并结合相关文献对斗栱的结构特性进行了分析:给出了斗栱在水平荷载和竖向荷载作用下的P-Δ线性强化弹塑性模型;另外还给出了斗栱在水平和竖向地震作用下的运动方程。本文以西安城墙永宁门(南门)箭楼为研究对象,为了分析城墙的位移变形和其稳定性,采用有限元软件ANSYS建立了城墙有限元模型,对其在不同荷载作用、防空洞影响等情况下进行了分析,根据城墙位移变形和土体塑性扩展分析,认为城墙在上部建筑物荷载等一般荷载(不大于70kpa)作用下是安全的。为了分析木结构古建筑的结构特性,分别对箭楼木结构模型进行了静力分析和动力分析:采用有限元软件SAP2000建立了箭楼有限元模型,并对其进行静力分析,通过对结构构件强度的验算,结果表明结构在静力作用下是安全的,而且还有很大强度富裕(约50%)。通过对三个模型(柱脚刚接、铰接和平摆浮搁连接)的模态分析,分别得到了其前12阶周期,经过对比表明,木结构柱脚与柱础的平摆浮搁连接方式,能够延长结构的周期,其中前三个周期变化较明显,分别比柱脚刚接、铰接时延长了约40%、20%。通过对木结构模型的反应谱和动力时程分析,得到各个层面的动力放大系数,结果表明木结构古建筑的隔振性能主要体现在柱脚、梁柱榫卯连接和铺作层部位。通过耗能分析得出,输入的地震能量大部分被结构自身的振型阻尼(平均74.32%)和结构的连接(11.89%)所消耗。表明了木结构古建筑具有较好的抗震能力和隔振性能。分析及计算结果为中国木结构古建筑的维修和保护提供了理论依据。
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