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中国古代建筑在世界建筑之林中有着重要地位,其中以木结构为主的建筑体系历史悠久,数量繁多,结构复杂,科学文化内涵极为丰富,抗震性能好。榫卯连接方式是中国古代一项伟大的技术创造,是确保木结构体系具有良好抗震性能的关键措施之一。但是,许多现存的古建筑木结构使用年限己久,结构残损严重,寻求针对木结构的合理加固方法具有重要意义。
为探究榫卯节点的耗能机理,寻求中国古代大木作结构抗震加固的有效方法,本文主要开展了如下几方面的研究工作:
(1)和钢筋混凝土、砌体等“刚”性结构相比,木结构建筑“以柔克刚”,具有良好的抗震性能。本文制作了1:8缩尺比例的木结构空间模型,通过低周反复加载试验,研究了榫卯节点的力学特点及耗能机理,获得了节点的弯矩-转角曲线和构架的力.侧移曲线。结果表明,这种不用钉子的构件连接方式,不但可以承受较大的荷载,而且允许产生一定的变形,在地震荷载作用下通过变形吸收一定的地震能量,减小结构的地震响应。
(2)传统的古建筑加固方法在施工时都需加设铁件,而铁件具有自重大且易腐蚀老化等缺点,加固不慎还容易破坏原有结构本身,本文分别采用马口铁、钢构件和碳纤维布(CFRP)加固榫卯节点,通过低周反复加载试验,研究了节点加固后的抗震性能,获得了加固后节点的弯矩-转角曲线和构架的力-侧移曲线,并对比分析了加固前后节点的骨架曲线、耗能能力、刚度退化、变形能力等抗震指标。结果表明,马口铁、钢构件和CFRP均可提高构架的刚度和承载力,且加固后的构架仍有很好的变形性能,但是耗能能力不如加固前;另一方面,CFRP加固榫卯节点的综合加固效果最好,钢构件其次。
(3)通过古建筑木结构模型的振动台试验,获得柱脚、额枋和屋面板的地震响应加速度;通过白噪声地震激励求得结构的模态参数(包括自振频率、阻尼比等);通过El-coatro波激励下的四种模型的加速度曲线峰值对比和结构的位移变化特征,检验了采用不同方法进行榫卯节点的抗震加固效果。