專利名稱：古建筑木結構整體結構的有限元建模方法
技術領域：
本發明涉及的是，古建筑木結構整體結構的有限元建模方法，尤其是對其節點半剛性特點的建模。
背景技術：
中國古建筑是中華文明的重要組成部分，是人類寶貴的文化遺產，其影響遠及日本和韓國等東亞國家。其中數量最多且最具特色的當屬古木結構，如中國的應縣佛宮寺釋迦塔(公元1056年建)和薊縣獨樂寺觀音閣(公元984年建)。隨著時間的延續，對這些價值連城、失而不可復得的歷史文物的保護日益迫切。結合現場脈動試驗結果進行的整體結構有限元分析，是對古建筑木結構進行結構安全評估的重要手段。古建筑木結構的特點主要有(1)梁柱截面大，承載構件的截面應力低，強度富裕量大；(2)鋪作層采用斗拱節點將豎向荷載收聚到木柱上，斗拱構件繁多和傳力路徑復雜， 具有較好的抗震耗能性能；(3)梁柱節點采用榫卯連接和，為半剛性節點，也具有較好的抗震耗能性能；(4)柱腳節點采用柱礎石式(木柱平擱置在柱礎石上)、叉柱造式(多層木結構上層明層木柱通過叉柱造插入其下暗層的鋪作層上)、騎楸造式(多層木結構上層暗層木柱通過騎楸造插入其下明層的鋪作層上)和纏柱造式(與叉柱造式對應的另一種做法)連接， 亦為半剛性節點等。由此可知，斗拱、半剛性梁柱和柱腳節點分別為古建筑木結構抵抗豎向和水平荷載的關鍵部位。同時，由于古木結構經歷了上百上千年的各種荷載作用，都存在著不同程度的結構變形、材性劣化以及節點受力性能退化等殘損。如何建立一個充分體現古建筑木結構受力特性及殘損的整體模型，尤其能否真實反映其斗拱的傳力路徑、梁柱和柱腳節點的半剛性特性及其受力性能退化，將直接影響到如有限元分析結果的可信度。在較早的古建筑木結構受力分析中，一般都將榫卯節點簡化為剛接并忽略斗拱的作用，如陳平等在《西安建筑科技大學學報》1998年第30卷第3期上發表《西安鐘樓抗震性能分析》。然后，趙均海等采用變剛度單元模擬真實木結構梁柱的榫卯連接，用虛擬單元的不同剛度條件反映真實的半剛性連接，見其在《西安建筑科技大學學報》1999年第31卷第 2期上發表的《中國古代木結構的彈塑性有限元分析》。不久，方東平等在《工程力學》2001 年第18卷第一期上發表的《木結構古建筑結構特性的計算研究》中，提出了使用無幾何尺寸的三維半剛性節點單元來描述斗拱和榫卯節點在不同方向的剛度，此方法一直被后來的學者沿用至今。無論是趙均海還是方東平的半剛性單元模型，其參數的求解皆需使用現場脈動試驗測得的結構動力特性(自振頻率、陣型和阻尼)作為參照。因此，在現有古木結構整體分析中，連接半剛性特性及結構殘損等皆反映在其半剛性單元上。當然，也有個別學者會對結構變形和材性老化進行針對性的考慮和處理，但其模型的梁柱和柱腳節點皆簡化為剛性連接，如王玨的碩士論文《應縣木塔扭、傾變形張拉復位的數字化模擬和安全性評價》。鋪作層在其鼎盛時期(如唐代)，其高度可為柱高的1/3，如果采用無幾何尺寸半剛性單元來模擬，將無法體現荷載的傳遞路徑及結構的整體受力機理。劉妍等在《東南大學學報(自然科學版)》2007年第37卷第5期上發表的《獨樂寺遼代建筑結構分析及計算模型簡化》中，提出將鋪作簡化為斜撐與桁架結構，對古建筑的鋪作層有了更進一步的認識。綜上所述，至今尚未有學者提出過建立一個能充分體現古建筑木結構受力特性及殘損的整體模型。
發明內容
本發明提供了一種古建筑木結構整體結構的有限元建模方法，可建立一個能充分體現古建筑木結構受力特性及殘損的整體模型，克服了現有方法建立的模型未能全面反映斗拱的傳力路徑、梁柱和柱腳節點的半剛性特性及其受力性能退化等特點的不足。本發明的技術方案是(1)采用梁單元來模擬古建筑木結構的梁柱等主要受力構件；( 使用梁一短柱單元組來模擬斗拱；C3)使用等效(梁)單元來模擬梁柱和柱腳節點半剛性特點；(4)通過移動柱頭和柱腳節點位置來反映結構變形情況；(5)通過選用老化材料材性作為模型材性參數來體現結構的材性劣化；(6)通過設置節點受力性能退化指標來描述梁柱和柱腳節點的受力性能退化程度；(7)基于模態參數的模型修正理論，通過遺傳算法求解模型各半剛性節點受力性能的退化指標。此方法需結合計算機繪圖軟件 AutoCAD、編程軟件Fortran和有限元軟件(如ANSYS和ABAQUS等)共同實現。與目前大部分建模方法相比，本發明古建筑木結構整體結構的有限元建模方法具有以下三個顯著優點第一，采用梁一短柱單元組模擬斗拱，可反映豎向荷載在古建筑木結構鋪作層中的傳力路徑；第二，使用等效(梁)單元模擬節點半剛性特性，可簡單有效地體現梁柱和柱腳節點的受力特性；第三，有針對性和簡單考慮了結構變形、材性劣化以及節點受力性能退化等殘損情況。
圖1是斗拱的梁一短柱組合模型示意圖。圖2是梁柱(a)及柱腳(b)半剛性節點的等效單元模型示意圖。圖中，1.上承柱腳節點，2.泥道拱方向，3.下接梁柱節點，4.華拱里跳方向，5. 闌額，6.木柱，7.半剛性節點，8.等效單元，9.地楸。Hf H3和ST分別為模擬第一 三跳華拱和耍頭的梁構件；ΝΓΝ4分別為模擬泥道拱、壁內慢拱、第一和第二道柱頭枋的梁構件；LD和SD分別為模擬櫨斗和散斗的梁構件，CL則為模擬橫紋傳力虛擬短柱的梁構件。
具體實施例方式本發明所提供的古建筑木結構整體結構的有限元建模方法，將首先建立一個無殘損的理想模型，然后將此基礎上，通過考慮古木結構最嚴重的結構變形、材性劣化和節點受力性能退化等三方面殘損問題建立古建筑木結構的真實模型。一、理想模型。1. 1結構形式。古建筑木結構的結構形式一般分抬梁式、穿斗式、密梁平頂式和井干式四種。宋代的殿堂式和廳堂式，以及清代的“大木大式”(相當于宋廳堂式)和“大木小式”(又稱柱梁作)均屬抬梁式；穿斗式一直應用在長江流域和東南、西南地區，而密梁平頂式常見于西藏、 青海和新疆等地；井干式出現在商代，現今只在東北林區和西南山區使用。除此之外，尚有一種宋代名為“簇角梁”而清代稱之“尖角”的亭式結構。
根據研究對象的結構形式，建立結構層次與對象相同的理想模型。同時，理想模型應包括木柱、闌額(或額枋)、斜撐及拱枋等主要構件，從而能體現和分析這些主要受力構件對古木結構受力性能的作用。對于存在土磬墻的古木結構，應仔細分析該墻體對結構是否有約束作用，如有可使用具有等效剛度的斜撐模擬并替代土墻的作用，否則可忽略不計。 1.2 斗拱。斗拱通過斗和拱橫紋承壓和拱枋抗彎來傳遞豎向力，故斗拱可簡化為梁一彈簧組合模型；而由柱腳傳來的水平荷載則由拱枋等抗彎和拱、枋間的暗銷抗剪及摩擦力來傳遞。 因此，可采用如圖1所示的梁一短柱單元組來模擬斗拱，即拱枋(梁)和斗(短柱)等構件采用梁單元來模擬，并在各跳華拱與對應拱枋交點間設置橫紋傳力虛擬短柱(梁單元)來傳遞各跳間的豎向和水平荷載。拱枋的截面尺寸來自實測量結果，而斗和橫紋傳力虛擬短柱的截面則取傳遞豎向荷載的有效承壓面積。1.3梁柱和柱腳節點。柱架的梁柱和柱腳半剛性節點是古建筑木結構抗側移的關鍵。通過在柱與闌額 (宋式稱闌額，清式稱額枋，相當于梁)和柱與地楸之間設置一等效(梁)單元來模擬半剛性特點，如圖2所示，此節點稱為等效節點。假設等效單元與柱相連節點相對于另一與闌額相連節點的轉動角為該等效節點的轉角，根據半剛性節點與等效節點在相同彎矩作用下轉角相等的原則，可求得等效(梁)單元的i方向的抗彎剛度民,Ai J/」 (遠小于木柱的抗彎剛度A/q.)，其中，Κθ; 和Zew.分別為半剛性節點的i方向抗彎剛度(由試驗確定)和等效單元的長度。1.4建筑構造等。“側腳”和“生起”是古建筑木結構所特有的構造措施，與大(重)屋頂的做法相輔相成，使結構趨于穩定和安全。在大屋頂的作用下，兩者均可提高梁柱節點的抗彎性能，優化水平荷載在柱架的傳力路徑，以及提高柱架的抗傾覆能力。《營造法式》對古木結構的“側腳”和“生起”的大小和做法都有明確的規定和要求。因此，本發明建議應在整體模型中按規定設置“側腳”和“生起”，以反映兩者對結構整體受力性能的影響。古木結構屋面板和樓板與其下支承構件間的連接疏松，平面剛度不大，故可忽略其作用。樓梯增加了結構該處質量的同時，還大大削弱了梯口周圍的抗側移剛度，通過設置虛擬等效質量來模擬其對古木結構受力性能的影響。1. 5材性與單元。古木結構的構件長細比都較小，建議選用三維線性鐵摩辛科(Timoshenko)梁單元 B31進行網格劃分。古建筑木結構整體結構理想模型的材性忽略木材缺陷和尺寸效應等影響，各構件采用建造木材的清材材性。除主要受力構件的重量按自重考慮外，瓦屋面和其它小作木構件的重量根據面積或周長分配原則匯聚到各朵斗拱上。二、真實模型。2. 1結構變形。古建筑木結構的結構變形主要有整體傾斜、局部歪閃及扭轉等。整體傾斜不僅會導致重力附加彎矩，使結構在水平荷載作用前就遭受初始傾覆力矩作用，從而降低了古木結構抵抗水平荷載的能力。同時，對于多層古木結構(如樓閣和塔等)，上層豎向荷載通過其下鋪作層橫紋承壓往下傳遞，由于木材橫紋承壓強度低且有蠕變特性(即木構件在一定荷載作用下，變形會隨時間的增加而增加)，勢必進一步加劇古木結構的整體傾斜。而古木結構局部傾斜則削弱由大屋頂重力提供的抵抗水平傾覆力矩的力臂，也降低了結構抵抗水平荷載的能力。對于某些古木結構，如應縣木塔，結構抗扭轉剛度低從而發生了一定程度扭轉變形和損傷，降低了結構的抗扭轉能力。以上三種結構變形，也即幾何缺陷，都在較大的程度上影響著古木結構抵抗荷載的能力，因此必須在其整體結構模型中充分體現出來。大量的實例勘查結果表明，古木結構的結構變形主要體現在其柱頭和柱腳位置的改變上。因此，可根據最新的測量結果，將理想模型各柱頭和柱腳按實測偏移量進行移動， 即可體現結構的變形殘損狀態，從而得到了真實模型的幾何形態。 2. 2材性劣化。古建筑木結構的承重構件在數百年甚至上千年的使用過程中，遭受不同程度的真菌腐朽、蟲蛀以及老化等環境因素引起的材性劣化作用，其材性有何變化，將密切影響著古木結構的整體受力性能。本發明建議，對材料進行全面的材性試驗并與新材料材性進行對比，使用劣化木材材性試驗結果作為真實模型構件材性參數指標，從而體現材料老化的影響。2. 3節點受力性能退化。梁柱和柱腳節點的半剛性是古建筑木結構所特有的結構特點。從工程力學的觀點出發，可知這些半剛性節點是古木結構抵抗荷載作用的關鍵部位，也是“肥梁胖柱”式古木結構的薄弱之處。經歷上百年近千年滄桑的古木結構，其梁柱和柱腳節點皆發生了不同程度的損傷，從而導致了其受力性能的退化，這對古木結構抵抗荷載的能力有很大程度的影響。本發明建議通過定義退化指標込來描述古木結構柱架節點的受力性能退化情況 當代等于0時，表示節點完好，受力性能無退化；當込等于1時，表示節點完全失效；當代在(Ti之間時，表示節點有某種程度的退化，其剩余抗彎剛度為完好時的(1-代)倍。然后， 基于模態參數的模型修正理論，通過遺傳算法求解真實模型各柱架節點的受力性能退化指標Di。依據以上所述步驟，即可建立一個能充分體現古建筑木結構受力特性及殘損的整體模型，由其克服了現有方法建立的模型未能全面反映斗拱的傳力路徑、梁柱和柱腳節點的半剛性特性及其受力性能退化等的不足。
權利要求
1.一種古建筑木結構整體結構的有限元建模方法，其特征是(1)所建模型能反映斗拱的傳力路徑；( 所建模型能體現梁柱和柱腳節點的半剛性特點；C3)所建模型能描述柱架節點的受力性能退化程度。
2.根據權利要求1所述的古建筑木結構整體結構的有限元建模方法，其特征在于采用梁單元來模擬梁柱等受力構件。
3.根據權利要求1所述的古建筑木結構整體結構的有限元建模方法，其特征在于使用梁一短柱單元組模擬斗拱，以反映斗拱的傳力路徑。
4.根據權利要求1所述的古建筑木結構整體結構的有限元建模方法，其特征在于使用等效(梁)單元模擬梁柱和柱腳節點半剛性特點。
5.根據權利要求1所述的古建筑木結構整體結構的有限元建模方法，其特征在于通過移動柱架節點位置反映結構變形。
6.根據權利要求1所述的古建筑木結構整體結構的有限元建模方法，其特征在于通過選用老化材料材性作為模型材性參數體現材性劣化。
7.根據權利要求1所述的古建筑木結構整體結構的有限元建模方法，其特征在于通過設置受力性能退化指標來描述柱架節點受力性能的退化程度。
8.根據權利要求1所述的古建筑木結構整體結構的有限元建模方法，其特征在于基于模態參數模型修正理論，通過遺傳算法求解模型節點受力性能的退化指標。
全文摘要
一種古建筑木結構整體結構的有限元建模方法。其特點是(1)采用梁單元來模擬梁柱等受力構件；(2)使用梁—短柱單元組模擬斗栱；(3)使用等效(梁)單元模擬梁柱和柱腳節點半剛性特點；(4)通過移動柱架節點位置反映結構變形；(5)通過選用老化材料材性作為模型材性參數體現材性劣化；(6)通過設置受力性能退化指標來描述柱架節點受力性能的退化程度；(7)基于模態參數模型修正理論，通過遺傳算法求解模型節點受力性能的退化指標。其優點在于可建立一個能體現古木結構受力特性及殘損的整體模型，克服了現有方法建立的模型未能全面反映斗栱的傳力路徑、柱架節點半剛性特性及其受力性能退化等特點的不足。此方法需結合繪圖軟件AutoCAD、編程軟件Fortran和有限元軟件(如ANSYS和ABAQUS等)共同實現。
文檔編號G06F17/50GK102323968SQ201110328868
公開日2012年1月18日 申請日期2011年10月26日 優先權日2011年10月26日
發明者陳志勇 申請人:陳志勇