基于离散元模型的古建筑木结构地震易损性分析

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我国是一个地震频发的国家,一些年代久远的木结构古建筑在经历强烈地震作用后容易发生严重破坏,甚至倒塌。由于结构倒塌破坏是不可逆的,一旦失去便不可复得。为了科学、合理保护古建筑,保证木结构古建筑在强震作用下不发生倒塌破坏已成为古建筑保护工作中一个亟待解决的关键问题。以单层单开间殿堂结构当心间模型和沈阳故宫颐和殿为研究对象,采用离散元软件Wallstat建立了结构分析模型,对结构的倒塌性能进行评估,并通过对建模参数进行调整,探究了不同参数对结构倒塌性能的影响。本文具体研究内容如下:(1)对离散元分析方法进行了概述,建立了单层单开间殿堂结构当心间离散元分析模型,建模时将榫卯节点简化为旋转弹簧+拉压弹簧;将斗栱简化为水平剪切弹簧+竖向拉压弹簧;柱脚滑移采用试验测定的摩擦系数,通过对比离散元模型与试验模型的动力分析结果,验证了离散元模型的准确性;(2)介绍了古建筑木结构地震破坏判定准则及评估方法,对单层单开间殿堂结构离散元分析模型进行了地震易损性分析,对其破坏风险进行了评估。研究了构件材性、榫卯节点刚度及斗栱刚度对结构地震易损性的影响。结果表明,构件材性的折减对结构破坏概率的影响显著,并且随着地震激励的增大,其对结构破坏概率的影响也随之增大,从50gal地震激励输入时发生轻微破坏提高的概率1.9%和4.0%到1000gal生倒塌的概率提高25.4%和47.2%;随着地震激励逐渐增大时,榫卯节点刚度的折减其对结构破坏概率的影响程度降低,从50gal时轻微损坏的概率提高9.3%和21.7%到1000gal时发生倒塌的概率提高2.8%和5.5%;斗栱刚度的折减对结构破坏概率的影响较小,从50gal时轻微损坏的概率提高4.4%和8.5%到1000gal时发生倒塌的概率提高1.0%和2.3%;(3)以沈阳故宫颐和殿为研究对象,分别建立了完好、材性退化的模型,结合给出的破坏判定准则及评估方法,对模型进行地震易损性分析。结果表明,沈阳故宫颐和殿满足我国抗震规范所规定的“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求;材性退化模型在多遇地震作用下,出现轻微破坏的概率较完好模型提高9.3%,在设防地震作用下,出现中等破坏的概率提高6.8%,在罕遇地震作用下,出现严重破坏的概率提高了2.5%;(4)建立沈阳故宫颐和殿含嵌固墙体模型并进行易损性分析,结果表明,窗下墙的设置对结构破坏概率的影响较小;山墙的设置对结构破坏的影响较大,模型发生轻微破坏、中等破坏和严重破坏的概率明显减小,对出现倒塌破坏的概率影响较小。
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