古建築木結構抗震機理研究

1緒論
1.1概述002
1.1.1中國古建築木結構發展歷史002
1.1.2宋式大木作構造及技術特點007
1.1.3古建築木結構研究價值010
1.2古建築木結構抗震性能研究現狀011
1.2.1柱腳節點研究現狀012
1.2.2榫卯節點研究現狀014
1.2.3斗拱節點研究現狀018
1.2.4整體結構研究現狀020
1.2.5搖擺特性的初步研究022
1.3本書研究內容024

2新型木結構擬靜力測試系統
2.1擬靜力試驗027
2.1.1載入制度027
2.1.2測試系統027
2.2試驗模型設計028
2.2.1模型介紹028
2.2.2模型製作安裝033
2.2.3構件初始缺陷記錄034
2.3載入系統設計035
2.3.1基於搖擺的水準載入設計思路035
2.3.2水準載入系統設計036
2.3.3豎向載入設計038
2.4資料獲取裝置039
2.4.1位移感測器設計039
2.4.2水準位移測量041
2.4.3豎向位移測量043
2.4.4荷載測量045
2.4.5傾斜監測046
2.5測試方案047

3水準往復荷載作用下的木構架變形
3.1整體結構變形052
3.2節點及構件變形053
3.2.1柱腳節點053
3.2.2柱傾斜變形055
3.2.3榫卯節點059
3.2.4斗拱節點061
3.2.5構件損傷061
3.3柱架層和斗拱層水準位移特徵.065
3.4水準荷載作用下的木構架豎向運動069
3.4.1基於搖擺的木構架豎向抬升理論計算069
3.4.2實測木構架豎向位移071
3.4.3木構架豎向抬升特徵075

4整體木構架滯回性能
4.1初次測試階段木構架滯回性能078
4.1.1滯回曲線078
4.1.2骨架曲線081
4.1.3剛度083
4.1.4耗能085
4.2重複載入導致的木構架滯回性能變化088
4.2.1滯回曲線變化088
4.2.2骨架曲線變化090
4.2.3剛度變化093
4.2.4耗能變化095
4.3恢復力模型097
4.3.1木構架恢復力模型建立097
4.3.2恢復力模型檢驗099

5柱架層和斗拱層滯回性能
5.1初次測試階段柱架層和斗拱層滯回性能103
5.1.1柱架層和斗拱層滯回曲線103
5.1.2柱架層骨架曲線105
5.1.3柱架層和斗拱層剛度107
5.1.4柱架層和斗拱層耗能109
5.2重複測試階段柱架層和斗拱層滯回性能變化111
5.2.1柱架層和斗拱層滯回曲線變化111
5.2.2柱架層骨架曲線變化113
5.2.3柱架層和斗拱層剛度變化115
5.2.4柱架層和斗拱層耗能變化117
5.3木構架恢復力理論計算119
5.3.1木構架中彎矩平衡關係119
5.3.2柱搖擺恢復力120
5.3.3榫卯節點恢復力121
5.3.4木構架恢復力123

6基於能量的木構架抗震機理分析
6.1木構架中的能量關係126
6.1.1地震過程中結構中的能量126
6.1.2擬靜力測試中木構架中的能量平衡方程127
6.1.3各能量計算方法128
6.2初次測試階段木構架中各能量分析129
6.2.1總輸入能量129
6.2.2滯回耗能130
6.2.3重力勢能132
6.2.4彈性應變能134
6.3重複載入對木構架中各能量的影響.136
6.3.1總輸入能量變化136
6.3.2滯回耗能變化137
6.3.3重力勢能變化139
6.3.4彈性應變能變化141
6.4抗震機理的適用性分析143

7木構架抗震機理的數值模擬分析
7.1縮尺木構架有限元模型147
7.1.1木構架建模147
7.1.2材料本構關係148
7.1.3接觸關係150
7.2數值模擬結果151
7.2.1變形特徵151
7.2.2滯回曲線153
7.2.3豎向位移155
7.3木構架中各能量對比分析157
7.3.1總輸入能量157
7.3.2滯回耗能157
7.3.3重力勢能159
7.3.4彈性應變能160

附錄
附錄A樟子松物理力學性質163
附錄B位移感測器原理及製作171
參考文獻

木結構在中國建築史中佔據極其重要的地位，不同形式、體量的木結構可以滿足從普通民舍到皇帝宮殿等各種需求。據統計，木結構古建築占古建築總量的50%以上，而房屋類建築中，以木構架承重的建築占到90%以上。木結構古建築作為一種“不可移動文物”，儼然已成為歷史記憶、文化發展和文明進步的載體，價值歷久而彌新。

古建築木結構因其構造獨特而性能優越，目前仍有多座千年以上的木結構古建築得以留存，為中國傳統文化和古人建築技術的研究提供了重要素材。然而，自然環境的侵蝕、荷載的持續作用、偶發地震災害等導致現存的古建築木結構承載性能顯著降低，木結構文化的傳承面臨很大的威脅，尤其是在地震作用下突然性倒塌的風險劇增。對這些建築的修繕加固是使其“延年益壽”的主要途徑，改善或恢復其抗震性能是修繕加固工作的重要內容。科學地研究傳統木結構的抗震性能、合理地揭示木結構的抗震機理是木結構抗震加固的重要前提，也是進行木結構修繕工作的重要參考。

本書針對中國傳統木結構的抗震性能及抗震機理進行了深入的分析和討論。全書共7章，全面總結了國內外古建築木結構抗震性能研究現狀及發展動態，詳細介紹了宋式梁-柱-斗拱木構架模型的擬靜力測試，得到了木構架在水準往復荷載作用下的變形特徵，首次分析了水準載入導致的木構架豎向運動，系統分析了整體木構架、斗拱層、柱架層的滯回特性，評價了重複載入對木構架滯回性能的影響，創新性地提出了基於重力勢能轉化的木構架抗震機理。

本書有助於推進古建築木結構抗震研究的發展，具有較高的實用價值和參考價值，可為相關領域的科研工作者提供新的思路，為廣大科研工作者和古建築愛好者提供很好的素材，為現存木結構的修繕加固提供科學的支撐。

在本書出版之際，感謝李鐵英教授，王志華教授、劉暉總工程師對本書內容的指導；感謝太原理工大學、山西建設投資集團博士後工作站提供的良好科研和辦公條件；感謝國家自然科學基金專案（52108465）、中國博士後科學基金專案（2020M670696）的資助。

限於著者水準及撰寫時間，書中難免有不妥和疏漏之處，敬請各位讀者批評指正。

著者
2021年9月