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古建筑知识

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木结构有限元分析

作者: 更新时间:2021/1/19 17:30:57

由于我国现有的古代木结构建筑大多建于明清时期,唐宋时期的建筑与明清时期的建筑在结构上有所不同,因此明清时期的建筑在我国得到了大量的保护和维护。近几年新建的仿古建筑大多是模仿明清建筑风格。明清建筑作为中国古代建筑史上最后一个阶段的建筑成就,在建筑形式、建筑技术、建筑材料和技术的应用等方面有许多相似之处。从建筑史的角度来看,明清建筑是中国古代建筑技术沿着传统道路不断发展的结果。这一时期建筑技术和艺术的成就在一定程度上反映了中国古代建筑技术和艺术的成就。首先要了解结构形式、建筑方法,分析结构中各构件的作用,分析构件之间的荷载传递路径和连接方式,建立节点和结构的计算模型。虽然很多古代木结构都有砖墙作为维修结构,但并不承受刚性荷载,而且由于木构件的通风防腐要求,木构件与维修构件之间存在缝隙。因此,在不考虑砖墙对木结构特性影响的情况下,采用杆单元建立了古建筑木结构的有限元模型。

古典木结构

大多数古代木结构建筑是用杆和蛋连接起来的,既能承受较大的荷载,又允许有一定的变形。在杆蛋连接中,杆有一定的长度,杆和蛋之间有一定的间隙,所以连接不仅仅是连接,也不是饺子连接,而是呈现出刚性连接和镜像连接之间的连接状态。如果杆件进入广西卵或斗拱,如果梁的内力是按照两端嵌固的计算公式计算,那就不是真的。实际上,梁在外力作用下可以有微小的角位移,不再处于嵌固状态。如果梁端简支求内力,偏于安全,则梁、杆实际上可以承受部分转角弯矩,呈现嵌固效应。因此,这种类型的杆蛋连接的刚度单元应在计算分析时确定,然后加入有限元程序中进行分析。采用现代科学研究方法,计算机有限元分析。


古代木结构建筑中最具特色的承重构件是斗拱。斗拱作为大型或较大建筑中柱子与屋架之间的过渡部分,承受上梁架和屋顶的荷载,并将荷载传递给柱子。同时,斗拱用于给房屋加衬,跳出来,支撑上檐,可以让里子更加深邃。桶拱在室内使用时,从两端挑出,可以缩短梁的跨度,分散梁与正方形连接处的剪力。由于古代木结构建筑中斗拱的种类和功能多种多样,受自然力的影响,很难掌握其性能。如果有拼板(也称架子分格是指模板、方架、梁架之间使用的斗拱),拼板可能在檐口内力计算中起到支撑作用。如果按连续梁计算,部分支座的作用会随着挠度和下沉而消失,表现为简支梁的状态。目前还没有这方面的报道。然而,它们在古代木结构建筑体系中的特殊和不可忽视的作用是必须面对的。因此,建立合理的有限元计算模型非常重要。

木结构建筑

长期以来,经过多次地震等自然灾害,许多古建筑至今仍能保存下来,说明它们具有一定的抗震防灾能力。然而,许多古建筑在地震中受到了不同程度的破坏。了解古建筑在地震中的性能,了解其震害特征,并根据其结构形式和结构技术特点分析古建筑的抗震能力,对于研究古建筑的抗震性能及其防震减灾对策具有重要意义。古建筑木结构的抗倾覆能力与其结构密切相关。硬山、悬山等各种古代木构建筑均采用提梁架,其结构的主要特点之一是杆蛋结合技术的应用。成熟的杆蛋结合法和梁与金属模拟形成的环梁结构不仅使木框架具有可靠的整体性,而且提高了整个结构的抗震性能。例如,销杆、夹套杆和馒头杆提供了良好的抗水平地震能力,而箍杆具有很强的约束力和抗剪切能力。


随着斗拱技术的应用,在古建筑的上下构件之间形成了由纵横构件和方形斗提机组成的弹性结构层,在一定程度上起到了类似减震器的作用。在高烈度地震作用下,当结构发生较大变形时,斗拱起到有效耗散变形能量的作用,大大增强了结构的抗震能力。古木建筑的主脊位于脊瓜柱支撑的脊上,而竖脊则由角梁和数值组成。由于脊瓜柱处于悬臂状态,角梁、金属模具、檐口和卧梁之间的连接相对较弱,所以屋面系统的结构整体性明显差于主木框架。此外,古建筑的屋顶荷载高于普通木结构房屋,使得屋顶体系的抗震能力相对较低,在地震时可能位于薄弱的主屋脊上,古建筑的维修墙和山墙多为碎石土,结构较差,在动荷载作用下容易开裂、倒塌。例如,1996年2月,联合国教科文组织派专家到中国考察云南省丽江市申报的“世界文化遗产”。专家到达北京,但丽江发生了大地震。在丽江,专家看到很多新建建筑倒塌,道路被破坏,但令人惊讶的是,丽江的一些老房子和商店的墙壁都被不同程度地推倒或损坏,而旧建筑的框架仍然竖立着,保持着原来的形状。这是老建筑中杆蛋和斗拱连接的结果。


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