本文是一篇土木工程论文，本文以保定淮军公所戏楼为原型，对 1/10 缩尺比例的木结构模型进行了振动台试验，研究了模型结构在地震作用下的动力特性和结构响应，综合分析抬梁式木结构的抗震性能。利用 Abaqus 软件对试验进行了模拟，验证了有限元模型的正确性，最后在有限元模型的基础上对抬梁式木结构进行参数化分析。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
古建筑是中华民族历史文化的具体体现，在现存古代建筑中，木结构所占的比重是最大的。同时木结构古建筑的结构形式也是丰富多样的，有抬梁式、穿斗式、干栏式、井干式等。其中抬梁式结构形式主要分布于我国北方和南方的闽粤地区，因其室内少柱或无柱，具有较大使用空间的特点，被广泛应用于宫殿、寺院和庙宇等大型建筑中。现存的抬梁式古建筑木结构已为数不多，唐代的典型代表如建于唐代初期的独乐寺、公元 857 年建成的佛光寺、山西平遥镇国寺大殿等为数不多的几座。到了宋代，抬梁式木结构在工程技术与施工规范方面，达到了一个全新的高度，在总平面上加强了进深方向的空间层次，这一时期的代表性建筑有山西太原的圣母殿、天津蓟县独乐寺观音阁等。而在明清时期，北方皇家园林是最具艺术性的抬梁式建筑群。
古建筑木结构与现代建筑在空间体系上是相似的，同样采用了梁、柱框架的受力体系，但古建筑在结构形式和抗震机理上却与现代建筑相差甚远，古建筑木结构因其独特的构造特点表现出了良好的抗震性能。天津蓟县独乐寺在 1976 年唐山大地震时，仅寺内观音阁（图 1-1）及山门的木柱略有摇摆，但整体安然无恙。山西应县木塔（图1-2）历史记载它曾遭受过七次大地震，周围所有的建筑都倒塌了，但其仍然完好无损。在战争时期，木塔被 200 多发炮弹击中，也只损坏了两根柱子。恒山悬空寺（图1-3）在建成后的 1500 多年来，经历了无数次的山崩、地震，但它始终悬在空中。南塔寺（图 1-4）位于北川羌族自治县境内，建于明朝万历年间，至今已有 400 余年的历史，寺内的接引殿和圆通宝殿都是经历“5.12 大地震”后幸存的古建筑。
1.2 研究现状
近代许多的科研工作者对古建筑木结构进行了研究，上世纪以前的研究多停留在建筑的形制构造、艺术和历史上，随着研究的不断深入，转而发展为对结构动力特性、抗震性能和隔震机理等方面的研究上，目前对古建筑木结构的结构性能研究也已从静力阶段过渡到动力阶段，相关的研究成果比较丰富。
1.2.1 柱与础石的研究
对柱和础石的研究多集中于柱与础石的连接方式、摩擦系数的测定及柱与础石的简化计算模型等方面。
古建筑木结构中柱脚与础石的连接多采用平摆浮搁的方式，柱脚可起到滑移隔震的作用，可有效减小地震对上部结构产生的不利影响。薛建阳[1]和赵鸿铁[2]按材份制的要求制作木构架缩尺模型并进行振动台试验。发现在小震作用下，柱与础石之间未发生相对位移，地震能量由柱脚传至结构上部。随着地震强度的增大，柱脚与础石之间滑移量增大，大幅度耗散了地震能量。姚侃等[3]-[4]建立柱与础石的摩擦隔震模型用于计算柱与础石的相对滑移量，并通过静摩擦试验测得了柱与础石的摩擦系数在0.25~0.4 之间。张锡成[5]将上部结构看做刚体，对柱脚滑移倒塌的判定条件进行研究。
M Maeno 等[6]-[8]对日本传统木框架模型进行了静力加载及振动台试验，同时对木框架的摇摆性能进行研究，发现柱的摇摆在木结构建筑的抗震机制中起着重要的作用。Y Suzuki 等[9]-[10]通过振动台试验和数值分析相结合的方法，研究柱脚滑移和转动对日本传统木结构抗震性能的影响，结果表明，在地震作用下柱脚平摆浮搁的形式可以减小整个建筑物的侧向变形和破坏程度。
第 2 章 模型设计及试验方案
2.1 概述
淮军公所是一处融合了徽派建筑和北方建筑风格的古建筑群，为我国北方地区所少有，其形成与演变有着特殊的历史背景与条件，真实记录着淮军盛衰的历史，反映了晚清时所遭受的列强屈辱与综合国力的衰落。随着时间的推移，大部分记录了淮军历史的建筑已经消失，在中国北方地区，淮军公所是唯一一座能充分体现晚清徽派祠堂风貌且保存相对完好的建筑。1984 年保定市人民政府公布淮军公所为全市重点文物保护单位。1993 年河北省人民政府公布淮军公所为河北省重点文物保护单位。2013 年国务院公布淮军公所为国家级文物保护单位。淮军公所是艺术和历史的结合，其建筑本身具有很高的文物价值和研究价值。
淮军公所戏楼为二层厅堂型抬梁式建筑，如图 2-1 所示。它是一座封闭式的戏院，四周为二层的包厢，作为看台使用，中间为空场，用罩棚封住。戏楼历经百年风雨损毁严重，已出现屋面瓦片松动脱落、屋顶罩棚和屋檐坍塌、柱根糟朽、戏台拆毁等情况。目前淮军公所修缮工程已开启，戏楼维修为第三期工程。为了更全面地了解抬梁式木结构建筑的破坏过程、破坏现象、动力特性和地震响应，以淮军公所戏楼为原型，设计并制作缩尺模型并进行振动台试验，依据试验现象和试验结果综合分析抬梁式建筑的抗震性能和隔震机理，为结构的修缮加固提供理论支撑。
2.2 模型设计
2.2.1 模型尺寸设计
试验模型以保定淮军公所戏楼为原型，对破损严重的部分根据史料记载和历史照片并以相同时期、相同风格特征的天津广东会馆戏楼为依据进行复原[64]。根据淮军公所戏楼现场测量的尺寸制作 1/10 的缩尺模型，模型高为 1.25m，平面尺寸为 2.9m×3.2m，沿高度方向模型可分为一层柱架层、二层柱架层和屋盖层三个部分。柱架层有檐柱 36 根，外金柱 28 根、里金柱 14 根，共计有 78 根柱子，屋盖层由梁架、瓜柱、檩条、椽子、枋和屋面板组成。缩尺模型的相关尺寸详见图 2-2 和表 2-1 所示。
第 3 章 振动台试验结果分析 ······················ 19
3.1 试验现象 ························· 19
3.2 结构的动力特性分析 ···························· 20
第 4 章 模型结构有限元分析 ··············· 37
4.1 有限元模型的建立 ························· 37
4.1.1 材料的本构关系 ······················ 37
4.1.2 单元的选取 ······················ 38
第 5 章 古建筑木结构抗震性能参数化分析 ··················· 55
5.1 概述 ····························· 55
5.2 柱脚的连接方式 ······················· 55
第 5 章 古建筑木结构抗震性能参数化分析
5.1 概述
通过建立缩尺模型进行振动台试验虽可以很好的反应结构的真实动力性能和破坏特征，但是所花费的时间和成本也会增加。由于计算机软件可以更多的模拟试验工况，同时也可以随意改变结构的参数，因此多数学者选择使用计算机软件进行数值模拟研究。本文为更好的研究抬梁式木结构的抗震性能，在已有有限元模型基础上进行结构的参数化分析，以求得出结构性能随各参数变化而变化的规律，以便为抬梁式木结构建筑的保护和修复提供参考，也可为相关规范标准的制定提供试验基础。
木结构的性能与自身材料、结构的构造措施、结构形式有着密切的关系。本文在对结构进行参数化分析时，选取的参数有：柱脚的连接方式、新旧木材性能、榫卯节点的刚度。在进行模拟计算时，每次仅改变一个参数，其它参数固定不变。
古建筑木结构中柱脚的连接方式随着历史的发展而不断演变，各年代都有其独特的构造方法，其演变过程可大致分为 3 个阶段：1）柱子直接埋置于土中不做任何的处理；2）在柱底垫卵石，但依旧不露出地面；3）柱子直接放置于础石上。从总体趋势上看，柱脚从埋置于土中逐渐演变为露出地面并置于础石上。柱脚不同的构造措施具有不同的性能，对结构性能的影响也有所差别。图 5-1 为柱脚的三种不同连接形式，其中图 5-1（a）为柱脚平摆浮搁形式，柱子底端为平面可直接放置在础石之上，仅靠柱底与础石之间的摩擦来抵抗地震，这也是最为常见的一种柱脚连接方式。图 5-1（b）为套顶榫的连接形式，柱子底端的榫头需嵌固在榫眼中，这种连接形式可视为刚接。图 5-1（c）为管脚榫的连接形式，可视为铰接。
结论与展望
本文以保定淮军公所戏楼为原型，对 1/10 缩尺比例的木结构模型进行了振动台试验，研究了模型结构在地震作用下的动力特性和结构响应，综合分析抬梁式木结构的抗震性能。利用 Abaqus 软件对试验进行了模拟，验证了有限元模型的正确性，最后在有限元模型的基础上对抬梁式木结构进行参数化分析。主要得到以下结论：
（1）结构加载过程中的破坏现象主要表现为榫卯节点拔榫和柱身的倾斜。模型结构在 7 度基本地震阶段之前的地震反应较小，仅有轻微晃动；9 度多遇地震阶段模型晃动幅度加大，罩棚随梁枋及厢房部分金枋出现明显拔榫；8 度基本地震阶段柱脚转动较大，柱身出现倾斜，罩棚梁架出现多处榫头拔榫和劈裂现象；7 度罕遇地震阶段主梁与里金柱拔榫量较大；8 度罕遇地震阶段结构楼层间出现错动，部分
