基于现代模拟分析技术的传统木结构研究.pdf

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1、第5卷第2期V01．5No．22013年4月Apr．2013基于现代模拟分析技术的传统木结构研究袁建力(扬州大学建筑科学与工程学院，扬州225009)【摘要】运用现代模拟分析技术进行传统木结构的保护研究，具有快速、直观和重现的优势。本文针对传统木结构保护的重点研究内容，分榫卯节点连接性能模拟、斗拱的构造与力学性能模拟、木构架建筑的建模与分析、应县木塔的建模与分析和木结构数字化与信息技术等五个专题，介绍了国内外学者应用计算机模拟分析技术的主要成果，探讨了进一步深化研究的趋势。【关键词】传统木结构；构造特征；力学性能；有限元模型；模拟分析【中图分类号】

2、TU366．2【文献标识码】A【文章编号】1674—7461(2013)02—0023—08用中发挥了快速、直观和重现的优势。本文针对传1导言统木结构保护的重点研究内容，介绍了国内外学者应用计算机模拟分析技术的主要成果和发展趋势，传统木结构建筑是人类宝贵的文化遗产，具有以期进一步推动该技术在古建筑保护研究中的深重要的文物保护和科研价值。从新石器时期的简化应用。单房屋到唐宋时期的宏伟殿堂，中国的木结构建筑在几千年历程中形成了完善的结构体系和独特的2榫卯节点连接性能的模拟分析建筑风格，并极大地影响了朝鲜、日本等周边国家传统建筑体系的发展。我国宋代颁布的

3、国家级建中国传统木结构建筑的构件种类繁多，《营造筑规范《营造法式》¨J，对木结构建筑的营造经验进法式》将大木作构件按功能分为12类：斗、棋、昂、行了系统的总结，制定出以“材”为标准的模数制，爵头4类为铺作构件，柱、梁、额枋、檩、椽等8类为促进了建筑设计和施工的规格化。这部经典规范构架和屋盖的构件。对中国传统木结构建筑的修缮维护和科学研究，至构件以榫卯结合为原则，只有屋面椽子、连檐、今仍起着重要的指导作用。望板、角梁等使用铁钉。榫卯因连接构件的类型、中国及东亚地区的传统木结构建筑主要为殿部位不同具有多种方式，应用较多的有直榫和燕尾堂结构和厅堂结构，构

4、件的连接采用榫卯结合，斗榫两种类型(图1)。直榫的制作和安装较简便，但棋是其最具特色的组合构件。在欧美国家中，传统榫卯之间的咬合力逊于燕尾榫。榫卯接头具有传木结构建筑也有悠久的历史和相当的存量，其重要递拉压荷载和弯矩的能力，是一种有利于消散地震建筑的承重构架大都为框架结构，屋盖采用桁架结能量的半刚性节点。榫卯的结合方式及其节点的构，构件的连接也以榫卯结合为主。木结构体系的力学性能，是传统木结构力学分析的关键因素。构造特征、力学性能和损伤状态，是古建筑鉴定、修方东平等旧。在木结构古建筑动力特性实验研缮和保护的重要依据；其中，结构的抗震性能和老究的基础

5、上，通过定义和引人反映榫卯节点特性的化机制的评价，是当前科学研究的热点。半刚性节点单元，建立了适合木结构古建筑特点的随着现代科学技术的发展，计算机模拟分析技三维有限元计算模型和分析方法。所研制的榫卯节术已成为传统木结构保护研究的重要工具，并在应点采用空间虚拟弹簧单元为过渡单元，如图2所示。【基金项目】中国-意大利国际合作项目(国科外2006-25N．TXCHPl6)；国家自然科学基金(51078323)。【作者简介】袁建力(1951一)，男，教授。主要研究向：古建筑结构鉴定与保护。兰重函圈燕尾榫圉-堂，一目目嚣露～夕图1直榫与燕尾榫这种节点单元由6

6、个互不耦合的弹簧组成，两个节在欧美的传统木结构建筑中，榫卯接头也是一点有共同的坐标，没有质量也没有几何尺寸，其中种基本的构件连接方式(图4)MJ。随着大型通用软疋、K，、K分别为半刚性节点对应于沿x、Y、z轴的变件的开发和应用，榫卯节点的力学性能试验研究及形刚度，k、K"K＆分别对应于沿z、y,z轴的弯曲模型参数的确定得到了更多的重视∞引。或扭转刚度。这种半刚性节点单元已被用于西安JonathanShanks等以传统的绿橡木构架建筑中城楼等古建筑的结构分析中，取得了很好的效果。的榫卯接头为对象，进行了强度和刚度的物理试隋允康等在木结构半刚性单元研究

7、的基础上，验，并运用分析软件ANSYS进行了模拟分析‘7J。依建立了以组合梁单元作为过渡单元的榫卯有限元据实测数据和计算机模拟结果，提出了一个类似四模型¨J。模型为三维空间组合单元(图3)，可以产铰梁的基于能量表达的榫卯强度和刚度预测模型生拉伸、扭转、弯曲。他们以十字形节点模型试验(图5)。研究表明，榫卯接头的松弛及缝隙增大，将数据为基准，利用有限元软件MSC构建了Beaml89增大模型的剪跨(如图5中a值)，榫卯接头的强度为基本单元的分析模型，采用优化迭代方法得到榫和刚度随着剪跨的增大而显著降低。卯半刚性单元的参数值。该研究建立了具有质量和几何尺

8、寸的榫卯节点有限元模型，简化了半刚性单元的参数推演，便于大型木结构的整体分析。榫节点斜榫槽节点图4欧美传统木结构建筑中的榫