[摘要] 第一章 绪论1 1 研究背景与意义作为中华文化的瑰宝，中国古代建
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
作为中华文化的瑰宝，中国古代建筑具有极高的历史、文化、艺术和科学研究价值。许多专家学者致力于古代建筑的发掘研究，在建筑历史、形式、艺术、构造等其它方面获得了丰富的研究成果。
国务院公布的 4296 处全国重点文物保护单位中，古代建筑占 1882 处，并且基本以木结构作为主要承重体系[1]。山东省淄博市颜文姜祠是我国目前发现的尚存的最古老的木结构古代建筑[2]，距今已经一千二百多年。南京灵谷寺的无梁殿与苏州开元寺的无梁殿是仅存的非木结构建筑物[2]。
古代木结构建筑与现代木结构建筑均采用木材作为主要结构材料。不同的是，古代木结构建筑连接方式、构造方法独特，结构特性鲜明。具体表现在：
（1）柱网布置均匀对称；（2）平面形状规则、简单；（3）柱平摆浮搁于柱础石之上，台基平面高出自然地坪；（4）梁架各构件之间采用不同形式的榫卯连接；（5）在梁架屋盖与柱架之间设置斗栱（铺作）层；（6）采用硕重的大屋顶。
长期的风吹雨打、战争、地震等破坏导致大多数木结构古建筑不可避免地出现了部分结构损坏、承载力不足等危险。其中，地震对木结构古建筑的损害几乎是致命的。
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1.2 问题的提出
目前，研究木结构古建筑的抗震性能所建立的有限元模型基本分为两类，①只包括上部木结构的模型，②包括上部木结构与高台基的组合模型。计算时大多采用刚性地基假定，即忽略了地基土体的阻尼作用。但是，刚性地基假定仅适用于刚度较小或基础刚度较大的结构。由于中国木结构古建筑多建立在刚度较大的高台之上，刚性地基假定会对有限元分析的结果产生较大的误差。
因此，只有建立符合实际情况的木结构古建筑模型，进行有效的抗震性能分析，才能更好地反映木结构古建筑在地震作用下的响应情况。
本文以光岳楼木结构为研究对象，探讨土—结构相互作用对古建筑动力性能的影响，以期对古建筑后期修缮保护工作提出合理化的建议。
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第二章 有限元模型建立
2.1 光岳楼概况及地质情况
2.1.1 光岳楼概况
光岳楼，如图 2. 1 所示，建于明洪武七年（公元后 1374 年），地处山东省聊城市东昌府区古城中央[38]。1988 年，光岳楼被列为国家重点文物保护单位。
光岳楼是一座四重檐多角十字脊歇山顶建筑，自地平面至结构顶高 34.34m，占地面积约 1236m2。其中，四层木结构主楼坐落在高台基之上。
正四棱台体状高台基中心垂直高 9.38m，下底面边长 34.43m，上底面边长 31.62m。四个侧面的正中间分别辟有一道宽 5.76m、脚趾高 2.90m、矢高 2.88m 的半圆拱门。
四层木结构主楼中心垂直高 24m，含有 200 朵斗拱、192 根金柱。一层方形楼身面阔、进深各为 7 间，明间为 4.04m 至 4.09m 不等，次间 2.80m 至 2.88m 不一；二层平面同一层，面阔、进深仍为 7 间，但近间尺寸缩减为 1.16m 至 1.26m 不等；三层低矮较暗，面阔、进深各 5 间；四层楼面缩减，面阔、进深各 3 间，明间 5.66m，次间 2.05m，如图 2. 2~图 2. 7 所示。
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2.2 光岳楼木结构模型(T 模型)的建立
2.2.1 梁、柱等构件
光岳楼采用木质构件承重，墙壁只起围护与隔档的作用，因此这种结构形式类似于框架结构形式，梁、柱为承重构件。
本文模拟光岳楼的木柱、木梁时，采用 ANSYS 软件中 BEAM188 单元，单元几何如图 2. 15 所示。
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3.1 模态分析.....................................30
3.1.1 模态分析理论................................30
3.1.2 T 模型模态分析结果.........................................30
第四章 基于 IDA 法的抗倒塌性能分析................................59
4.1 木结构古建筑倒塌破坏判定准则.............................59
4.1.1 柱脚滑移倒塌机制......................................59
4.1.2 柱架层间倒塌机制...................................60
第五章 结论与展望.............................................67
5.1 本文的主要结论................................67
5.2 展望............................................68
第四章 基于 IDA 法的抗倒塌性能分析
4.1 木结构古建筑倒塌破坏判定准则
判定建筑在地震作用下发生倒塌破坏的两类准则分别为：①首次超越破坏；②累计损伤破坏。首次超越破坏是指在地震作用下，结构的某一响应首次超过其规定限值导致结构发生倒塌；累计损伤破坏是指在多次地震激励下，结构自身性能逐渐退化导致结构发生倒塌。
考虑到木材本身具有不确定性，加上自然破坏、人为破坏等因素，现存古建筑多数年久失修，已经处于较危险的状态，本文采用首次超越破坏准则。
柱脚相对地面的位移过大，或者柱架侧移变形过大，易引发木结构古建筑发生落架破坏或层倒塌破坏。鉴于此，本节主要研究以上两种倒塌破坏机制。
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第五章 结论与展望
5.1 本文的主要结论
本论文以聊城市光岳楼木结构为研究对象，采用 ANSYS 的 APDL 语言建立光岳楼木结构（T 模型）、木结构+高台基（T-P 模型）、木结构+高台基+地基土（T-P-S）三种不同有限元模型，并对三种模型进行模态分析与地震反应分析，研究土—结构相互作用对木结构古建筑地震响应的影响；以所建立的包括上部木结构、高台基和地基土的光岳楼整体有限元模型为例，探讨了相应参数变化对古建筑整体抗震性能的影响；结合古建筑木结构的特点，对光岳楼有限元模型进行动力非线性分析，探讨了木结构古建筑可能出现的倒塌机制。其主要结论有：
（1）建立整体有限元模型时，地基土体的平面尺寸可取 3 倍以上高台基平面尺寸，高度可取 3 倍以上高台基高度。
（2）模态分析结果表明：考虑土—结构相互作用时，结构的自振频率减小，周期增长；土—结构相互作用对结构高阶自振频率的影响大于低阶自振频率的影响；考虑土—结构相互作用时，采用的振型阶数应大于 6 阶，对整体的分析才较为合理。
（3）地震反应分析结果表明：三条地震波作用下 T-P-S 模型通柱柱顶节点、变截面处节点的水平位移和加速度响应均大于 T 模型、T-P 模型；随着楼层高度的增加，各楼层相对柱脚位移逐渐增大，其中顶层相对位移和层间位移角均大于一至三层。因此在进行相应分析时，应考虑地基土体对上部结构的影响。
（4）参数分析结果表明：随着榫卯节点刚度的增大，自振频率逐渐增大，地震作用下结构的峰值加速度逐渐增大；节点刚度越小，地震作用下柱架侧移量越大；屋盖质量越大，结构的自振频率越小，柱顶节点位移峰值逐渐增大，峰值加速度逐渐减小，结构受到的地震惯性力越大。因此，在建立木结构古建筑有限元模型时，需对榫卯节点的刚度，屋盖的质量进行合理取值。
（5）抗倒塌性能分析结果表明：对于低频成分较多的地震波，当 PGA>950gal时，木结构古建筑可能发生柱脚滑移倒塌破坏，而仅当 PGA>400gal 时，结构可能发生层间倒塌破坏；依据“PGA 最小”原则，层间倒塌破坏是木结构古建筑最可能出现的倒塌机制。
参考文献（略）
