中国传统多层亭式木结构的振动台试验研究

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》:Shaking table test study on traditional Chinese multi-story pavilion-style timber structures

【字体: 时间:2026年05月20日 来源:Soil Dynamics and Earthquake Engineering 4.6

编辑推荐:

  张立伟|曹宇|孟兆波|王善伟|王春雷|崔鲁尧|任先才聊城大学土木工程与建筑学院,中国聊城252000摘要本研究以广越塔为原型,探讨了多层木结构的抗震性能。制作了一个1:4.5比例的模型,并对其进行了一系列振动台试验。试验中使用了Taft和El Centro地震记录以及合成地面运动

  
张立伟|曹宇|孟兆波|王善伟|王春雷|崔鲁尧|任先才
聊城大学土木工程与建筑学院,中国聊城252000

摘要

本研究以广越塔为原型,探讨了多层木结构的抗震性能。制作了一个1:4.5比例的模型,并对其进行了一系列振动台试验。试验中使用了Taft和El Centro地震记录以及合成地面运动作为输入地震激励,峰值地面加速度(PGA)分别设置为0.138 g、0.375 g、0.525 g和0.775 g。测量得到的动态响应包括固有频率、阻尼比、加速度放大系数(AAF)、层间位移角、层间剪力和能量耗散,所有这些参数均被用于评估结构性能。结果表明,随着PGA的增加,模型的第一模态和第二模态固有频率分别降低了22.8%和7.8%,而相应的阻尼比分别增加了59.3%和18.7%。对于所有输入的地震动和楼层,AAF值均保持在1以下,并且随着PGA的增加而减小。在发生7级地震的罕见情况下,最大层间位移角为1/29,未观察到明显的倾斜损伤。层间能量耗散随PGA的增加而增加,最大值为2048 J,表明该结构具有显著的抗震能量耗散能力。该结构模型表现出优异的抗震性能。第一层和第二层被确定为薄弱层,应优先进行改造和结构加固。

引言

中国地震频发,地震经常对建筑物造成严重破坏。然而,震后调查显示,中国的古代木结构通常比许多现代结构受到的破坏要小[[1], [2], [3]]。这一观察结果激发了人们对古代木结构抗震性能的广泛研究[[4], [5], [6], [7], [8], [9]]。传统木结构的承重系统和抗震性能与现代建筑及古代西方建筑有显著差异。中国传统木结构通过其整体系统行为天然具备抗震隔离和能量耗散能力[[10]]。整体木结构的连接方式复杂,力的传递路径也相当复杂。
因此,许多先前的研究集中在木结构连接的力学特性上,以解释这些结构卓越的抗震性能。研究明确了关键连接类型的承重机制、力学行为和能量耗散能力,包括斗拱连接[[11,12]]、榫卯连接[[13], [14], [15]]以及柱端连接[[16,17]]。
其他研究人员通过振动台试验研究了整体古代木结构的抗震性能。薛等人[[18]]测试了单层厅式古代木结构,并为关键部件提出了简化的分析模型。柱子被建模为摇摆构件,而斗拱支架则被表示为剪切弯曲构件。该研究还明确了不同加载条件下动态分析的计算方法和模型参数适用范围。吉谷等人[[19]]对日本单层木结构寺庙的缩比模型进行了振动台试验,他们发现在小变形下柱子的摇摆构成了恢复力的主要成分。随着变形的增加,拉杆中的弯矩变得占主导地位。传统木框架表现出相当的柔韧性和变形能力。王等人[[20]]对西安钟楼的缩比模型进行了振动台试验,该建筑是典型的整体柱式木结构。损伤主要表现为榫卯连接的拔出失效和支架块的开裂,但结构的整体完整性基本保持。在地震激励下,加速度放大系数通常低于1,表明其具有显著的抗震缓解效果。高等人[[21]]对代表川斗木结构的双层柱穿式木结构进行了振动台试验,结构的固有频率和刚度随地震加速度的增加而降低。两层的最大层间位移分别为1/23和1/26。该结构既没有倾斜也没有倒塌。对多层木结构的研究[[22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29]]也得出了类似的结果。损伤主要集中在第一层以上的榫卯连接处。随着峰值地面加速度(PGA)的增加,加速度放大系数(AAF)逐渐减小,层间刚度明显下降。具有对称斗拱支架系统的框架更容易受到地震损伤。斗拱支架的损伤通常从底部块(zuodou)开始,然后向上蔓延。
关于复杂亭式多层木结构抗震性能的研究仍然有限。与单层木结构相比,多层木结构的研究更能准确反映复杂传统建筑的抗震行为,因此对于文化遗产保护至关重要。以往对广越塔的研究主要集中在数值模拟上;然而,数值模型可能无法完全再现实际结构中存在的非线性耦合、真实的荷载传递路径和其他相互作用效应。为了解决这些问题,本研究制作了广越塔的1:4.5比例模型,并进行了振动台试验,以模拟地震作用、观察损伤模式、确定模型的动态特性和响应,并定量评估其抗震能力。本研究报道了首次对结合穿柱和叠柱的混合亭塔木结构进行的振动台试验,旨在评估所提出系统的抗震性能。

章节摘录

广越塔概述

广越塔(图1),又称玉姆塔或东昌塔,是中国现存最大的明代亭式建筑。广越塔是一座横跨街道的亭式建筑,具有四坡歇山顶屋顶。该建筑由砖石墩基和四层木制主塔组成。墩基是一个高9米的规则四棱台;其上的全木制主塔高24米,由四部分组成

实验观察与破坏模式

在逐渐增加的地震荷载作用下,模型发出持续的“吱吱”声,其强度随PGA的增加而增大。当PGA低于0.375 g时,模型仅表现出轻微的低幅度摆动,没有明显的损伤。在PGA = 0.375 g时,摆动幅度增大,第一层外檐柱的檐檩连接处出现了轻微的榫头拔出现象。在PGA = 0.525 g时,梁柱连接处和椽牙处也观察到了榫头拔出现象

结论

对广越塔的1:4.5比例模型进行了振动台试验,并详细分析了试验数据。获得了不同PGA下的抗震性能指标,包括动态特性、加速度和位移响应以及层间剪力。主要结论如下:
  • (1)
    在地震激励之前,模型的固有频率为1.27 Hz,阻尼比为10.41%。随着PGA的增加,累积损伤导致
  • 讨论

    本研究报道了首次对混合亭塔木结构进行的振动台试验,研究了该结构的动态响应并识别出其薄弱层。目的是为类似建筑的改造和保护提供参考。一个局限性是仅使用了单向地震输入。未来的工作将包括双向或三轴地震激励试验,以更好地捕捉空间地震效应。我们还将通过其他方法验证振动台试验结果

    CRediT作者贡献声明

    张立伟:撰写——初稿、方法论、调查、正式分析。曹宇:撰写——审稿与编辑、监督、方法论、资金获取、概念构思。孟兆波:撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。王善伟:撰写——审稿与编辑、监督、调查。王春雷:撰写——审稿与编辑、可视化、监督。崔鲁尧:撰写——审稿与编辑、监督。任先才:撰写——审稿与编辑

    利益冲突声明

    作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

    致谢

    本研究得到了山东省自然科学基金(项目编号:ZR2024QE014)和聊城大学科研基金(编号:318011901和318052221)的财政支持。
    相关新闻
    生物通微信公众号
    微信
    新浪微博
    • 搜索
    • 国际
    • 国内
    • 人物
    • 产业
    • 热点
    • 科普

    热点排行

      今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

      版权所有 生物通

      Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

      联系信箱:

      粤ICP备09063491号