古建木构架传统纠偏工艺的试验模拟与方案优选研究

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传统木构架建筑是人类宝贵的文化遗产,具有重要的文物保护和科研价值。采用榫卯结合的传统木构架建筑,由于榫卯节点为非整体性连接,结构的抗变形刚度较弱,在长期的环境侵蚀和外力作用下,易发生节点松脱和构架歪闪。中国遗存的木构架古建筑,大都存在不同程度的歪闪变形;对歪闪变形的木构架进行纠偏加固,是中国今后一段时期古建筑修缮加固的重点工作。经过长期的工程实践检验,“打牮拨正”已成为木构架建筑纠偏加固的优选工艺。但是,其施工工艺的实施尚无系统的理论指导,其技术水准仍基本停留在传统经验阶段。本论文在国家自然科学基金重点项目《古建木构的状态评估、安全极限与性能保持》(51338001)的框架下,以扬州清代盐商周扶九旧居为研究对象,制作了木构架缩尺模型。针对五种不同的歪闪工况,采用实体模型试验与有限元数值模拟相结合的研究方法,分别进行了木构架“打牮拨正”复位工艺的试验模拟和复位力学性能的研究。论文主要完成的研究工作包括:首先,对五种不同工况下的歪闪木构架进行了“打牮拨正”的缩尺模型试验。在歪闪木构架复位过程中,对其复位状态和复位力系进行了实时的监测,考察了复位荷载与柱网的复位规律以及木构架复位后的弹性回缩性能。试验结果表明,木构架复位时柱网的牵连作用与柱架平面刚度、柱架间距以及联系构件的传力方式有关;加载复位的工序对木构架复位后的弹性回缩量有明显的影响;基础的不均匀沉降主要影响木构架横向的歪闪,对纵向的影响很小。其次,运用有限元软件ANSYS建立了歪闪木构架的梁单元模型;引入空间弹簧单元,结合力学试验确定了反映节点半刚性连接特性的刚度参数,简化了木构架建筑典型梁柱节点连接的有限元模型。分别对缩尺模型试验各种工况进行了复位模拟,模拟分析表明,数值模拟的结果与模型试验实测值有较好的吻合性,所建立的木构架有限元模型可以用于歪闪古建木构架复位方案的研究。最后,结合试验数据和有限元数值模拟结果,对各种工况下不同加载制度的木构架复位应力状态进行分析比较,按照“整体构架有效复位且构件应力增量最小”的优化目标,对木构架“打牮拨正”的施工方案进行优选,在此基础上,提出了适用于歪闪木构架的逐次循环张拉复位的优化方案。本论文基于实体模型试验与有限元数值模拟,构建了歪闪木构架“打牮拨正”工艺复位力学性能分析和评价的研究方法,可为我国古建木构架修缮加固工程的方案选择和安全评价提供有益的参考。
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