木结构古塔的动力特性分析

国防科学技术大学硕士学位论文

木结构古塔的动力特性分析

姓名：张舵

申请学位级别：硕士

专业：力学

指导教师：卢芳云

2002.11.1

国防科技大学研究生院学位论文

木结构古塔的动力特性分析

摘要

研究木结构古建筑的力学特性对保护和开发我国古建筑遗产有重要意义。本文以山西北部释迦塔为研究对象，用有限元数值计算方法，进行了以下几个方面的工作：

１、引入梁单元组模拟斗拱连接，从而建立了具有木塔较细致结构的有限元计算模型。通过木塔的实测模态结果可以方便的确定斗拱这种复杂连接的刚度。这是一种建立中国古建筑计算模型的简单有效的方法。

２、对木塔进行了模态分析和自重分析，计算结果与实测结果符合良好。对木塔的自重和模态分析结果表明，其第二和第三层承受较大的应力，且容易产生变形，现实残损情况也表明了这一点。

３、对木塔进行了地震作用分析。不同烈度地震作用下木塔的结构响应表明，地震烈度的增加只在第二层引起较大的应力增加，这与木塔现实残损变形集中在第二层的现象一致。

计算结果可为古塔的维护和修缮提供理论依据。关键词：木结构古塔，榫卯连接，地震，动力计算

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独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

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学位论文作者签名：邋日期：伊７／年ＪＪ月ｗ日

学位论文版权使用授权书

本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密学位论文在解密后适用本授权书。）

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第一章绪论

§１．１问题的提出

中国古建筑即是中华民族悠久文明的历史见证，也是全世界宝贵的文化遗产。它们不仅有宝贵的历史价值，艺术价值，而且也是古代劳动人民科学智慧的结晶。其中木结构建筑在中国古建筑中占有很大的比例，它们更是我们东方古代建筑艺术的典范。在佛教传入我国以后，历史上个个朝代建筑了大量的寺、塔等佛教建筑，它们的建造促进了木结构的发展。木结构古建筑中，最典型的是柱和梁的榫卵结合形式构成的骨架。斗拱的采用是中国木结构古建筑中的一大特色，起始于战国时代，盛行于唐代。它在建筑上起装饰作用，在结构上有较好的力学性能”Ｉ。

木结构建筑由于其建筑材料和建筑方式的独特性，更有其独特而优良的力学性质。首先，重量轻，一座高达６０米的古塔，只有２８００吨，不到同样结构砖混建筑重量的一半。其次，由于古建筑中木结构独特的连接方式，使其具有有效的耗能机制。木建筑中基本采用榫卯连接，构件之间允许小的变形，在外力的作用下，构件之间错动摩擦，刚度和阻尼随着变形变化，耗散能量的能力特别强。所以，这种结构在地震作用下，抗震能力大大优于一般砖混建筑。

由于木材比较软，存在时间较长，各种自然或人为破坏，使得很多古建筑的受损情况严重。为了保护历史遗迹，对这些古建筑的结构动力学响应进行分析研究，对其进一步的抗震能力进行合理评估，寻找正确的维护修缮办法，成为一个紧迫的现实问题。

对这些古建筑的动力特性的研究，从七十年代就已经开始了，但是由于技术的限制，这些研究还远远不够。随着社会的进步，人们文化素质的提高，对文物的价值认识和功能的要求也普遍提高，人们也开始对古建筑的维护投入了更多的关注。因此对古建筑的研究也要求进一步的深入。

由于木结构古建筑特殊的建筑材料以及特殊的构建方式，对木结构古建筑的力学特性进行研究难度较大，加之条件限制，本文采用有限元计算软件对木结构动力特性进行计算模拟，为特定的木结构古建筑的修复和维护提供一些理论和设计依据。

§１．２木结构古建筑力学特性的研究现状

尽管古建筑的维护在社会的各个时期都被国家和社会重视，但是随着我们国家社会和经济的发展，人们文化素质的不断提高，对文物的价值认识和功能的要求也普遍提高，所以研究、修缮的要求也比历史上要提高。近年来，国内对古建筑的科学性开始进行系统的研究。

木结构古建筑的榫卯连接方式和独特的斗拱构件决定了其力学特性的特殊性。因此对木结构古建筑力学特性的研究中，样卯连接的力学特性和斗拱的模拟被放在了非常重要的位置。第１页