本文是一篇土木工程论文，本文依据宋《营造法式》[4]中的“材分制”和《古代大木作静力初探》[6]中的木结构传力机制等相关规定，运用 ABAQUS 有限元软件建立七等材木构架柱底完好和糟朽模型，分别研究了各木结构模型水平静力与动力加载下的反应特性，对拟静力过程中柱底糟朽模型的变形特征、滞回和骨架曲线、刚度退化曲线和能量转化情况作了定量分析，对柱底糟朽模型在不同振幅与频率的简谐激励和三种地震波激励下的动力响应进行了初步研究。
第 1 章 绪论
1.1 选题背景
1.1.1 中国古建筑以木结构为主的原因
在世界建筑史上，人们众所周知的东方建筑体系以中国、印度、日本为代表，而作为东方建筑核心—中国，它的传统建筑材料、整体建筑布局、大众审美意识等方面独树一帜。日本、朝鲜等邻近国家受到中国传统建筑影响，都不约而同地采用木结构建筑形式，以木材为主要的建筑材料，外在形式为木造结构的直接表现，恢弘大气又古朴典雅，具有很强的历史文化识别性，如图 1-1。而西方建筑师们通过严密精细的计算，以穹隆和尖塔来烘托房屋的垂直力度，设计出巨大而高耸的传统建筑，体现出外观与自然相对立的特征，刻画出西方建筑艺术的永恒与崇高，如图 1-2。在中国，传统建筑是儒家文化的延续与继承，而外国人认为古老建筑代表着宗教信仰，是神秘又神圣的，必须满怀尊崇与庄严的仪式感。中西建筑形式上的差别，其实是历史传承与文化内涵差别的表现，社会结构与意识形态上的差别，人与人的思维方式和审美境界的差别。
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1.2 木结构建筑研究现状
1.2.1 国内研究现状
《营造法式》[4]由宋代时期李诫创作，它在群体传统建筑的规划设计和单体传统建筑及其中木构件的比例、尺寸的确定等方面都有规章可遵循，而且规范了各工种工况下的用工计划与时间，包括先后顺序、相互关系，还制定了各工况工程造价和建筑质量标准，使建筑设计和施工的高效性与规范性有了保障，而且是随时质检和竣工验收有了质量保证，极大节约了时间成本。清代的《清工部做法则例》[5]也是中国古代关于建筑规范标准的具有深远意义的古籍，而且均由官方颁布，在我国古代建筑史上拥有举足轻重的地位。王天的《古代大木作静力初探》[6]针对某些古代建筑理论与原则的模糊与空白，将现代力学理论应用于对宋《营造法式》[4]中大木作研究中，填补了古建筑结构力学方面研究的缺失，推进了古建筑与结构力学相结合的学科发展。
太原理工大学古建筑研究所的李铁英教授和魏剑伟教授[7-11]等领导的团队对山西应县木塔等山西留存下来的高层古建筑进行了一系列研究。李铁英将应县木塔进行缩尺，按 1:100 尺寸建立模型，计算了开窗与封闭两种状态下各部位的风压值 ,包括各层风压剪力和弯矩，并研究了应县木塔不同部位的风作用特征；根据应县木塔层间模型的拟动力试验结果，提出古建筑木结构的双参数地震损坏准则，发现了在地震作用使木塔各层倾斜，而且发现木塔残损部位耗能能力会降低，加剧了木塔损坏；根据现场环境振动测试试验推演出的木塔结构层间刚度，真实模拟出木塔现状残损状态；在地震波作用下利用传递函数技术计算分析了木塔各层的弹性位移反应，建立了适合这类结构动态反应的弹性分析方法；通过实验得到了木塔古旧木材的基本物理、力学性能指标，系统分析了木塔构件及整体的残损变形及机理，提出了适用于木塔结构抗震分析的新方法；魏建伟等[12]通过现场环境振动测试试验,经分析得到释迦塔实体结构各层不同自振频率下的扭转振型，得出其扭转和平动残损变形显著的原因始木塔各层扭转与平动耦合振动。
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第 2 章 木构架有限元模型建立
2.1 木构架模型参数的选取
2.1.1 材分制介绍
《营造法式》[4]中记述了一种模度制，即“材分制”，“材分制”严格地规定了它在群体传统建筑的规划设计和单体传统建筑及其中木构件的比例、尺寸的确定等方面都有规章可遵循，而且规范了各工种工况下的用工计划与时间，包括先后顺序、相互关系，还制定了各工况工程造价和建筑质量标准。
查阅《营造法式》可以得到，“凡构屋之制，皆以材为祖。材有八等，度屋之大小，因而用之”，“凡屋宇之高深，名物之短长，曲直举折之势，规矩绳墨之宜，皆以所用之材，以为制度焉”[3]，其中，材的实质是面积与截面形态，规范和总结了大木作中各构件的有效比例。书里说道“各以其材为广，分为十五分，以十分为厚[4]”，“栔广六分，厚四分[4]”，“材”的长、宽，即“广”和“厚”，说明材无法体现长度单位，需要建立拥有一个长度性质的基本模量，即“分”，“分”表示一份，每份的大小可根据《营造法式》中的等级确定，“栔”和“材”一样，也是大木作辅助性质的度量单位，而“材”与“栔”的高宽比均定为 3:2。
木柱，是支撑屋盖系统的基本构件，是中国古建筑木结构的重要构件，在大多数情况下，柱子是浮搁在柱础石上，之间没有任何连接，然而这种连接方式起到了一定的隔震的作用；阑额充当一种有横向拉结作用的木构件，在其两端选用燕尾榫的形式并与柱顶处相连；普拍枋的位于柱顶和阑额之上，并且紧密贴在一起，进一步加强了对阑额和柱顶的拉结作用。
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2.2 木构架模型相关参数的设置
2.2.1 木材的特性
在我国，结构用材基本上可分为两大类，一种是针叶材，由于材质地较软，所以称之为软木；另一种是阔叶材，由于质地较硬，所以称之为硬木。在建筑结构中，一般需承重构件均使用针叶材，因为相较于硬木，软木的木纹又平又顺，拥有规律的纹理，而木材加工时需要沿着纹理取材并且抛光，软木的加工比起硬木来说是比较容易的，然而对于硬木由于木纹方向变化较大且无规律，而且硬木强度离散性很大，从而加工困难重重，所以硬木用作结构材的较少，反而软木用作结构材的较多。木材由于细胞组织生长和排列的独特性，使得木材在宏观上表现为各项异性[62]。木材特征延三个方向不同，此三向为纵向（L），径向(R)和切向(T)，纵向是沿着木纹生长的长度方向，径向和切向均垂直于木纹长度方向，径向为沿着横截面的半径方向，切向为沿着横截面的切线方向。木材强度按作用力性质和方向与木纹方向之间的关系一般可以分为：顺纹抗拉和抗压以及抗剪、抗弯、以及顺纹与横纹的承压等，在选择木材受力方向时，应当尽可能避免与制止横纹抗拉，因为木材横纹抗拉强度很低。如图 2-3，本文将木材试为正交各向异性的弹性材料。
2.2.2 木材的本构方程
由于木材本身特性，本文在建立木材的本构关系模型时，选择正交各向异性弹塑性材料，木材的弹性本构方程如 2-1 所示[63]，用九个独立的弹性常数 E1、E2、E3、G12、G13、G23、V12、V13、V23，描述其应力-应变关系。
在式子 2-1 中，角标 1 指木材顺纹方向（L），角标 2 指木材横纹径向（R），角标 3 指木材横纹径向（T）；角标 12 表示 L-R 平面、角标 13 表示 R-T 平面、角标 23表示 T-L 平面；  表示木材不同方向的弹性模量，   表示木材不同平面的剪切模量，vij为木材在各个方向上的泊松比，σij 表示各个方向上应力，εij 为在各个方向上的应变分量。
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第 3 章 七等材木构架拟静力模拟分析..............................21
3.1 模型的加载方案..........................................21
3.2 整体变形特征...................................21
第 4 章 木构架动力模拟分析..............................47
4.1 木构架自振模拟分析..........................................47
4.2 简谐激励作用下柱底糟朽木构架模型动力分析...................................54
第 5 章 木结构模型在地震作用下的反应...........................67
5.1 El Centro 地震波模拟分析.........................................67
5.1.1 El Centro 地震波位移响应分析.....................................68
5.1.2 El Centro 地震波加速度响应分析......................70
第 5 章 木结构模型在地震作用下的反应
5.1 EI Centro 地震波模拟分析
土木工程论文参考
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从图 5-1 可知，选取 EI Centro 地震波持续时间为 20s，曲线主要包含了剧烈的加速度部分，其频谱图中最大幅值点所对应的横坐标值即为该地震波的特征频率为1.464Hz，换算后的特征周期为 0.683s，通过表 4-1 中的数据可知，0.683s 较为接近各木结构模型中周期的较小值。提取 3 种 El 波幅值下模型柱顶柱底相对位移时程曲线，如图 5-2；不同柱底糟朽程度的模型柱顶柱底相对位移时程曲线，如图 5-3。
（1）地震波幅值越大，相对位移峰值越大，这是因为随着地震波幅值的增大，输入各模型的能量会越来越高，在次过程中，燕尾榫节点刚度发生不断退化作用，从而导致对柱顶的约束越来越弱，所以木结构模型的柱顶柱底相对位移增大。
（2）当输入 EI Centro 波幅值为 0.05g 时，随着柱底糟朽程度增加，相对位移曲线的波形幅度变大，在相同时间节点下模型相对位移响应值加大，相对位移曲线对应的峰值越大，这是因为地震波幅值较小时，木结构模型还处于弹性阶段。当输入 EI波幅值为 0.1g 和 0.2g 时，随着柱底糟朽程度增加，相对位移曲线的波形振幅越小，相对位移曲线对应的峰值越小。不同柱底糟朽程度的模型，EI 波的位移响应结果对应的规律相似。
（3）各地震波幅值下，不同柱底糟朽程度的模型相对位移时程曲线变化趋势相似，由各模型时程曲线可以看到，整个波形曲线在 5s 附近的峰值最高，其它时间段内也存在略高的峰值点，而各模型的柱顶柱底相对位移时程曲线峰值曲线主要集中在2.5s-8s 和 12.5s-17s 这两个区间内。
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第 6 章 结论与展望
6.1 结论
本文依据宋《营造法式》[4]中的“材分制”和《古代大木作静力初探》[6]中的木结构传力机制等相关规定，运用 ABAQUS 有限元软件建立七等材木构架柱底完好和糟朽模型，分别研究了各木结构模型水平静力与动力加载下的反应特性，对拟静力过程中柱底糟朽模型的变形特征、滞回和骨架曲线、刚度退化曲线和能量转化情况作了定量分析，对柱底糟朽模型在不同振幅与频率的简谐激励和三种地震波激励下的动力响应进行了初步研究，结论如下：
（1）在竖向配重压力下，各模型随着普柏枋一端施加水平往复位移荷载，柱脚抬升时绕柱底边缘处的转动支点开始左右摇摆，柱子与底板之间形成一种摇摆自复位结构；随着柱底糟朽程度的加大，榫头受到的挤压应力越小，应力值随着随着柱底糟朽程度的加大而减小。
（2）随着柱底糟朽程度越大，滞回环的面积也随之减小，曲线在原点附近的“捏缩”效应越不明显，结构的耗能能力变差，各木构架构架模型的承载力与初始刚度都随之减小，并且下降速率变缓；构架恢复力与初始刚度均随着柱顶配重的升高而增大，刚度退化速率变快，说明竖向配重大的木构架有优越的延性和耗能性能，抗震性能得到提高。
（3）在循环加载过程中，输入的能量主要依靠三个方式进行转换：木结构的滞回耗能，重力势能以及木构件弹性应变能。其中，滞回耗能普遍占总能量比值较少，各模型中重力势能所占比较多，说明重力势能在总能量转换过程中扮演着重要角色；随着柱底糟朽程度增加，重力耗能占比越小，说明柱底糟朽降低了木结构的储能能力；随着柱底糟朽程度增加，弹性储能所占比例越大，因为柱底糟朽使木构件弹性变形增加，对于结构的抗震是不利的。
（4）随着柱底糟朽程度增加，结构周期增大，而相同柱顶配重下各木结构模型自振周期范围随着柱底糟朽程度的增加而减小，各模型得自振周期随着柱顶竖向配重的升高而逐渐增大。