[發(fā)明專利]古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110328868.0
• 申請(qǐng)日: 2011-10-26
• 公開（公告）號(hào): CN102323968A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳志勇
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 陳志勇
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50
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• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是，古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，尤其是對(duì)其節(jié)點(diǎn)半剛性特點(diǎn)的建模。

背景技術(shù)

中國(guó)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(chǎn)，其影響遠(yuǎn)及日本和韓國(guó)等東亞國(guó)家。其中數(shù)量最多且最具特色的當(dāng)屬古木結(jié)構(gòu)，如中國(guó)的應(yīng)縣佛宮寺釋迦塔(公元1056年建)和薊縣獨(dú)樂寺觀音閣（公元984年建）。隨著時(shí)間的延續(xù)，對(duì)這些價(jià)值連城、失而不可復(fù)得的歷史文物的保護(hù)日益迫切。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行的整體結(jié)構(gòu)有限元分析，是對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的重要手段。

古建筑木結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主要有：（1）梁柱截面大，承載構(gòu)件的截面應(yīng)力低，強(qiáng)度富裕量大；（2）鋪?zhàn)鲗硬捎枚窎砉?jié)點(diǎn)將豎向荷載收聚到木柱上，斗栱構(gòu)件繁多和傳力路徑復(fù)雜，具有較好的抗震耗能性能；（3）梁柱節(jié)點(diǎn)采用榫卯連接和，為半剛性節(jié)點(diǎn)，也具有較好的抗震耗能性能；（4）柱腳節(jié)點(diǎn)采用柱礎(chǔ)石式（木柱平擱置在柱礎(chǔ)石上）、叉柱造式（多層木結(jié)構(gòu)上層明層木柱通過叉柱造插入其下暗層的鋪?zhàn)鲗由希?、騎栿造式（多層木結(jié)構(gòu)上層暗層木柱通過騎栿造插入其下明層的鋪?zhàn)鲗由希┖屠p柱造式（與叉柱造式對(duì)應(yīng)的另一種做法）連接，亦為半剛性節(jié)點(diǎn)等。由此可知，斗栱、半剛性梁柱和柱腳節(jié)點(diǎn)分別為古建筑木結(jié)構(gòu)抵抗豎向和水平荷載的關(guān)鍵部位。同時(shí)，由于古木結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了上百上千年的各種荷載作用，都存在著不同程度的結(jié)構(gòu)變形、材性劣化以及節(jié)點(diǎn)受力性能退化等殘損。如何建立一個(gè)充分體現(xiàn)古建筑木結(jié)構(gòu)受力特性及殘損的整體模型，尤其能否真實(shí)反映其斗栱的傳力路徑、梁柱和柱腳節(jié)點(diǎn)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(jié)果的可信度。

在較早的古建筑木結(jié)構(gòu)受力分析中，一般都將榫卯節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化為剛接并忽略斗栱的作用，如陳平等在《西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)》1998年第30卷第3期上發(fā)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(shí)木結(jié)構(gòu)梁柱的榫卯連接，用虛擬單元的不同剛度條件反映真實(shí)的半剛性連接，見其在《西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)》1999年第31卷第2期上發(fā)表的《中國(guó)古代木結(jié)構(gòu)的彈塑性有限元分析》。不久，方東平等在《工程力學(xué)》2001年第18卷第一期上發(fā)表的《木結(jié)構(gòu)古建筑結(jié)構(gòu)特性的計(jì)算研究》中，提出了使用無幾何尺寸的三維半剛性節(jié)點(diǎn)單元來描述斗栱和榫卯節(jié)點(diǎn)在不同方向的剛度，此方法一直被后來的學(xué)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(shù)的求解皆需使用現(xiàn)場(chǎng)脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性（自振頻率、陣型和阻尼）作為參照。因此，在現(xiàn)有古木結(jié)構(gòu)整體分析中，連接半剛性特性及結(jié)構(gòu)殘損等皆反映在其半剛性單元上。當(dāng)然，也有個(gè)別學(xué)者會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)變形和材性老化進(jìn)行針對(duì)性的考慮和處理，但其模型的梁柱和柱腳節(jié)點(diǎn)皆簡(jiǎn)化為剛性連接，如王玨的碩士論文《應(yīng)縣木塔扭、傾變形張拉復(fù)位的數(shù)字化模擬和安全性評(píng)價(jià)》。鋪?zhàn)鲗釉谄涠κr(shí)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(xiàn)荷載的傳遞路徑及結(jié)構(gòu)的整體受力機(jī)理。劉妍等在《東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》2007年第37卷第5期上發(fā)表的《獨(dú)樂寺遼代建筑結(jié)構(gòu)分析及計(jì)算模型簡(jiǎn)化》中，提出將鋪?zhàn)骱?jiǎn)化為斜撐與桁架結(jié)構(gòu)，對(duì)古建筑的鋪?zhàn)鲗佑辛烁M(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。綜上所述，至今尚未有學(xué)者提出過建立一個(gè)能充分體現(xiàn)古建筑木結(jié)構(gòu)受力特性及殘損的整體模型。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，可建立一個(gè)能充分體現(xiàn)古建筑木結(jié)構(gòu)受力特性及殘損的整體模型，克服了現(xiàn)有方法建立的模型未能全面反映斗栱的傳力路徑、梁柱和柱腳節(jié)點(diǎn)的半剛性特性及其受力性能退化等特點(diǎn)的不足。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：(1)?采用梁?jiǎn)卧獊砟M古建筑木結(jié)構(gòu)的梁柱等主要受力構(gòu)件；(2)?使用梁—短柱單元組來模擬斗栱；(3)?使用等效（梁）單元來模擬梁柱和柱腳節(jié)點(diǎn)半剛性特點(diǎn)；(4)?通過移動(dòng)柱頭和柱腳節(jié)點(diǎn)位置來反映結(jié)構(gòu)變形情況；(5)?通過選用老化材料材性作為模型材性參數(shù)來體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的材性劣化；(6)?通過設(shè)置節(jié)點(diǎn)受力性能退化指標(biāo)來描述梁柱和柱腳節(jié)點(diǎn)的受力性能退化程度；(7)?基于模態(tài)參數(shù)的模型修正理論，通過遺傳算法求解模型各半剛性節(jié)點(diǎn)受力性能的退化指標(biāo)。此方法需結(jié)合計(jì)算機(jī)繪圖軟件AutoCAD、編程軟件Fortran和有限元軟件（如ANSYS和ABAQUS等）共同實(shí)現(xiàn)。