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古建木构架抗风的力学机理分析

来源:永乐古建 作者:佚名 更新于:2016-2-17 阅读:

  3.1 根据当今结构力学的观点:柱底为不动铰的构架、如若柱顶没有强有力的支顶拉接(如长向砖墙或斜撑),同时柱顶构件不能提供限制柱侧倾的约束力矩时,则该构架柱在受到水平外力作用下是必然会全部倾倒。今结合古建木构架的实际状况,由于它存在柱顶枋件并以燕尾榫作法与柱连接,如以上分析所述,该节点在出现“起步变形”之后枋件是可以承担一定的作用给柱的力矩来约束柱的连续倾倒变形。依此来看风力作用下的枋件与柱,由于枋件是左右两端支于柱顶、左右柱长不变,则枋件就不会出现转动,但对柱来说,由于柱顶在风力作用下会出现柱顶移位,但柱底不动,这就使柱产生少许侧倾变形,此变形将使柱与枋件的夹角带来变化,这就形成了“起步变形”,随之引发枋件端榫对柱出现约束力矩以防止柱侧倾的扩大。此项约束力矩是同时出现在枋件两端,且两端约束柱身转动的方向相同(示如图2)。该约束力矩Mf传给柱后,将与柱底相应承担的剪力V1所引发的柱顶弯矩V1·H1相互平衡。对此可列式如下:

   Mf= V1·H1                                                                        (1)                                                         

  式中:V1——对应Mf可允许的柱底剪力;

   H1——由柱底到枋件中心的高度;

   Mf——枋件端榫可承担的力矩,对其量值的计算可如 下进行。                                                 

  今设枋件受力时,其承担的弯矩是使顶面受拉,则在图1的CABDD1B1A1C1面上的应力分布根据概念推理将如图3所示,图内于截面高度的中部大片应力为零,这是考虑存在起步变形的情况所致(若视截面为连续弹性体,则仅是在截面中部的中和轴处应力为零)。针对图3的应力分布,我们对枋件端(榫根)截面的受力可近似取上部拉力总和F为:

   F=0.2H·b×1.1×ft=0.22 Hbft                                   (2)

  式中:H·b为枋件截面高及榫根顶面宽(示如图3)。

   ft为木材顺纹抗拉强度设计值,可根据用材树种参照国家标准(GB50003-2003)取用,对ft前的1.1系考虑木材高韧性[10]局部受力暂用的提高系数(日后经试验可作修改)。由于截面上下属力偶抗弯、下部压力之和亦为F,这样,榫根允许承担的弯矩Mf可暂如下:               图3                                                                                                             

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