第 1 章 绪论
1.1 研究背景
中国作为拥有悠久历史的世界文明古国,有着源远流长的历史文化以及博大精深的建筑文化，起源于中国黄河与长江中下游地区的中国古建筑,至今已经拥有数千年的发展历史。中国凭借其地大物博、人口众多以及历史悠久的优势,造就了影响深远的物质文明以及风格独特的建筑文化。无论从建筑物的材料结构到房屋的装修装饰、还是从独立的个体形式到各式各样的群体组合乃至是庞大的城市布局,中国古建筑始终在继承和发展其特有的制作方式、技艺特点、建筑风格和建筑文化。数千年来居住、生活在这块肥沃土地上的人们，就像创造绚丽多彩的古代文化一样,也创造了技艺精湛、成就突出的中国古建筑文化,使得中国古建筑成为中华传统文化的一个重要组成部分,在中国建筑史上有着极其深远的影响。
1.1.1 中国古代建筑的发展历程
中国史书上有文字记载的历史约有四千年之久,而中国古建筑的历史比史书上记载的年代要古老得多。它就如同一个有机生命体，历经了萌芽、发育、定型、成熟、规范化、衰退与简化及烂熟式微这样的发展历程。根据其自身的发展特性和规律，其发展历程大体上可以划分为以下几个历史阶段：
萌芽期，即原始社会时期。中国古代建筑体系是一个自成一体、自我独立的体系，该体系萌芽于原始社会时期。长江中、下游沼泽地带源于巢居形成的干栏式建筑与黄河流域源于穴居发展形成的木骨泥墙建筑是其雏形，如图 1-1（a）、（b）所示。这种干栏式房屋一般上层用来居住,下层用来圈养家畜或者堆放家具,能够预防蛇虫等动物和湿气以及洪涝的侵袭,是气候潮湿的南方地区的最佳居住方式[1]。
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1.2 木结构建筑研究现状
中国古建筑木结构以其独特的建筑特色以及精湛的建筑技艺成为中国珍贵的历史文化遗产，也是中国古代乃至近代政治、经济、社会活动的重要载体。现存的许多巧夺天工和风格独特的古建筑木结构，在中国建筑史乃至世界建筑史上别具一格，是我国古代优秀传统文化的重要组成部分。然而中国古建筑在历经数千年的风雨飘摇和人为的破坏后，使得现存的古建筑存在不同程度的残损状况。因此，需要对中国现存古建筑的性能进行研究，分析古建筑出现各种残损情况的原因以及解决办法，以便进行更好的修缮和保护。现如今，国内外都对木结构进行了大量的研究，并取得了很好的成果。
1.2.1 国内研究现状
古代关于古建筑木结构方面的文字著作少之又少，但其中却有一部水平超高的古建筑类书籍——《营造法式》[3]。该书对古建筑设计、尺寸、施工等方面都进行了详细的介绍，充分反映了当时古建筑木结构精湛的技艺水平，被后人视为宋代古建筑领域的科学著作。在宋代古建筑残存数量不多的情况下，此书中所记录的大量有关古建筑的内容为今后的科学研究提供了强有力的支撑。清代时也曾编纂过一本技术书籍——《工程做法》。作为控制建筑质量和工料的依据，该书的应用范围主要针对宫廷所营建的宫殿、王府等建筑物。这两本书为中国古代建筑技术发展史的研究起了沟通、传递的作用，是极其难得的资料。
近代以来，朱启钤等人创建了中国营造学社，并聘请刘敦桢以及梁思成等具有多年建筑学经验的学者来进行古建筑的研究。他们亲自带领团队对全国各地的古建筑进行现场调查研究，并通过手绘和摄影等技术记录古建筑的现存状况，进而通过对古籍的比较分析来撰写研究报告。他们中的许多人通过花费大量时间甚至毕生时间投入到中国古建筑的研究工作，出版了包括《中国建筑史》[2]、《清式营造则例》[8]、《营造法式注释》[9]、《图像中国建筑史》[10]等一系列书籍，为后续的古建筑研究提供了巨大的便利。
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第 2 章 古建筑的残损类型与有限元模型的建立
2.1 古建筑常见的残损类型
我国的古建筑木结构长年累月曝露在外界环境中，长期经受着大风、雨雪和雷电等自然灾害的侵袭，再加以人为的对古建筑的故意损坏，许多现存的传统古建筑都出现了一定程度的残损，主要包括以下几种类型：
（1）木结构的糟朽
木结构糟朽一直是我国古建筑保护面临的重大考验，主要是因为木材特殊的材性，使得木材在外界环境中极其容易被微生物侵蚀，从而造成木结构糟朽。木结构糟朽会使构件的受力面积减小，使截面的弹性模量和抗侧刚度降低，很大程度上影响木结构的整体性能；若糟朽出现在木构架各构件的连接节点处会影响节点传递荷载的能力，使得木构架刚度降低、变形增大，严重影响木结构的整体安全。糟朽多见于木结构的柱根、支座以及构件之间的连接点等处。
（2）柱身开裂
木结构柱身开裂的原因主要有两个，一是古建筑在建造过程中主要使用湿木，湿木在使用过程中会产生干缩裂缝，导致柱身开裂；二是古建筑柱子会承受各种外力作用，这些外力会导致柱身开裂。柱身开裂会对古建筑产生严重的危害，柱身开裂会削弱柱子的受力面积，在开裂处产生应力集中现象，使柱子更容易发生受弯破坏从而降低结构的承载力和整体稳定性。
（3）榫卯节点的脱榫和拔榫
榫卯节点常见的连接形式有燕尾榫和直榫，燕尾榫多用于柱顶，而直榫多用于柱子中间。作为中国古建筑的重要受力节点之一，榫卯节点往往会处于多种外力共同作用的复杂状态，榫头与卯口长期反复挤压会使得节点变得松动，从而使榫卯节点发生脱榫或拔榫现象。榫卯节点的脱榫或拔榫会削弱柱子和梁直接的连接，使得节点的转动刚度退化，在外力作用下会导致木结构的歪闪和倾斜，影响结构的稳定性。
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2.2 六等材木构架模型的建立
2.2.1 材分制简介
中国古建筑木结构所使用的尺制随着汉、宋、清等朝代的更替会发生相应的改变。其中由于汉代建筑距今过于久远，并且当时连年战争，能够流传下来的有关古建筑木结构的文字著作十分匮乏，难以对汉代古建筑的度量尺制进行考证，因此对于汉代古建筑木结构的尺制的规定，大多参考唐代以及宋代的尺制。而宋代的建筑尺制则是以《营造法式》[3]为依据确定的，清代建筑尺制是以《工程做法则例》[5]为依据确定的。宋式建筑的度量尺制，《营造法式》所描述的尺制有“营造尺”和“材分等级”制两种。其中“营造尺”主要用来测量建筑房屋的大尺度的丈量尺度。而“材分等级”制是用来区分建筑的规模以及测量木构件规格的一种模数制度。
“材”、“栔”是营造工程所应考虑的基本内容。为了控制建筑规模，《营造法式》卷四述，“凡构屋之制，皆以材为祖。材有八等，度屋之大小，因而用之”[3]，其意为所有房屋建造，均以材为基础。《营造法式》[3]中将“材”分为八个等级，如图 2-5 所示，按房屋大小不同分别采用。“材”的长、宽，也称“广”和“厚”，书里写道“各以其材为广，分为十五分，以十分为厚[3]”，“栔广六分，厚四分[3]”，其中每“分”的大小由《营造法式》中的等级确定。
《营造法式》中关于阑额及榫卯尺寸的描述为“造阑额之制，广加材一倍，厚减广三分之一，长随间广，两头至柱心，入柱卯减厚之半两肩各以四瓣卷杀，每瓣长八分[3]”，即阑额的高度为 30 分，宽度取高度的三分之二，为 20 分，长度与柱高相同取 300 分，换算为国际单位分别为 384mm、256mm 和 3840mm。榫颈宽度取 12 分，缩颈取 2 分，高度与阑额高度相同，长度取 10 分。换算为国际单位分别为榫长 128mm、榫高 384mm、榫颈 128mm、榫头 153mm。
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第 3 章 六等材木构架拟静力试验模拟结果与分析.......................................25
3.1 木构架拟静力试验模拟结果....................................25
3.1.1 木构架变形特征............................................25
3.1.2 P-Δ滞回曲线...................................... 29
第 4 章 不同柱脚材性劣化程度的拟静力试验模拟分析.......................43
4.1 柱脚材性劣化在有限元模型中的的设置...............................43
4.2 竖向荷重为 6t 时柱脚材性劣化模型的拟静力试验模拟分析..............................44
第 5 章 不同柱脚材性劣化程度木构架的动力特性分析....................................67
5.1 木构架自振特性分析.............................................67
5.1.1 完好木构架的自振周期和频率...........................67
5.1.2 柱脚材性劣化 40%木构架的自振周期和频率....................... 70
第 5 章 不同柱脚材性劣化程度木构架的动力特性分析
5.1 木构架自振特性分析
结构的自振周期是其固有属性，与结构的形式、质量、刚度、材料属性等因素有关，而与结构所受外荷载无关。本文采用模拟振动台试验法求出木构架的自振周期，即在木构架模型的底板上施加一段时间的简谐波，使模型产生振动，在简谐波振动结束后，木构架由于惯性作用会做自由振动。将木构架做自由振动时的加速度或者速度提取出来，通过对加速度或速度进行快速傅里叶变换（FFT）即可得到木构架的自振周期。本章仅对竖向荷重为 6t 时柱脚不同材性劣化程度下的木构架的自振周期和频率进行研究，以此来分析柱脚材性劣化对木构架自振周期和频率的影响。
5.1.1 完好木构架的自振周期和频率
对完好木构架模型输入幅值为 100gal，频率分别为 0.5HZ～4HZ 的简谐波，简谐振动时间为 6s，自由振动时间为 10s，模型计算时间间隔为 0.02s。提取木构架模型的柱顶速度时程曲线，并对自由振动阶段的速度时称曲线进行快速傅里叶变换从而得到模型的自振周期和频率，见表 5-1。由于模型数量较多本章只列出部分频率下木构架的柱顶速度时程曲线和傅里叶变换曲线，如图 5-1 所示。
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第 6 章 结论与展望
6.1 结论
本文根据宋《营造法式》中关于我国古建筑木结构各构件尺寸的相关规定，使用ABAQUS 有限元软件建立六等材四柱完好木构架模型与柱脚材性劣化木构架模型，首先对各木构架模型进行模拟拟静力试验，研究柱脚材性劣化对木构架滞回特性、抗侧刚度和能量转换等的影响；然后对各木构架模型进行动力加载试验，分析柱脚材性劣化对木构架柱顶加速度和柱顶柱底相对位移等动力响应的影响，得到以下结论：
（1）对不同竖向荷重作用下的完好木构架进行拟静力试验模拟分析，发现不同竖向荷载下木构架有着相似的变形特征：柱脚会随着木构架的左右摇摆而反复抬升与下降并且几乎不发生滑移，榫卯节点会随着阑额与柱之间的转动而发生拔榫与挤压。竖向荷载越大，木构架各构件之间的挤压变形越大，产生的应力也越大。木构架在摇摆过程中的能量转换主要是滞回耗能、重力势能和弹性应变能，加载初期木构架各构件处于弹性变形阶段，弹性应变能占比很大，随着加载位移的继续增加，弹性应变能占比逐渐降低，滞回耗能和重力势能占比逐渐增大。
（2）对不同柱脚材性劣化程度下的木构架进行拟静力试验模拟分析，并与完好木构架模型进行对比，发现柱脚材性劣化会降低木构架的承载力和抗侧刚度，并且材性劣化程度越大其承载力、刚度等降低的越多。柱脚材性劣化不会影响木构架在摇摆过程中的能量转换方式，但柱脚材性劣化会降低木构架中的输入总能量和重力势能，增加木构架中的弹性应变能，这是因为柱脚材性劣化会使木构架柱子的刚度和承载力降低。而柱脚材性劣化对木构架中的滞回耗能几乎无影响，这是因为滞回耗能主要来源于榫卯节点之间的摩擦与挤压，而柱脚材性劣化对榫卯节点的影响极小。
（3）对单一配重下的完好木构架与柱脚材性劣化的木构架进行动力模拟试验，通过对木构架自振周期的分析得到：完好木构架模型的自振周期为 0.835～1.761s，柱脚材性劣化 40%木构架的自振周期为 0.911～2.004s，柱脚材性劣化 80%木构架模型的自振周期为 0.973～2.506s。这表明柱脚材性劣化会使木构架模型的自振周期变大。
参考文献（略）