CN115114705A - 古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法 - Google Patents

古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法 Download PDF

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CN115114705A CN202210632719.1A CN202210632719A CN115114705A CN 115114705 A CN115114705 A CN 115114705A CN 202210632719 A CN202210632719 A CN 202210632719A CN 115114705 A CN115114705 A CN 115114705A
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Abstract

本发明公开了一种古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，包括如下步骤：步骤S1、测量古建筑木结构柱架层控制点的坐标；步骤S2、测量古建筑木结构铺作层控制点的坐标；步骤S3、构建几何模型；步骤S4、开展原位材料性能参数检测；步骤S5、对古建筑木结构的节点性能进行初选；步骤S6、建立计算模型，并进行计算模型迭代，直至计算模型在自重荷载作用下获得的各控制点坐标与测量得到的坐标之差的以向量形式表示后的长度均满足：|ΔUk|≤1mm，则进行步骤S7；步骤S7、开展木结构动力特性实测，识别出前两阶自振频率f1c、f2c以及振型Фc；步骤S8、对计算模型开展模态分析，得出前两阶自振频率f10、f20以及振型Ф；步骤S9、计算f10相对于f1c的误差及f20相对于f2c的误差。

Description

古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法
技术领域
本发明涉及文物保护技术领域，具体涉及一种古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法。
背景技术
古建筑木结构是我国古建筑的主要组成部分，代表了我国古建筑的最高技术水平。但古建筑木结构在设计建造时并无相关结构设计标准，且在日常使用时往往会出现材料腐朽、构件受力劈裂、构架歪闪等损伤状况，其稳定性能存在着一定的隐患。为准确评估古建筑木结构的稳定性能以指导保护方案的研究制定，需要借助现场勘查、材料检测、节点试验等方式获得基础信息，构建可供古建筑木结构稳定评估的计算模型。
在木结构榫卯节点受力性能方面，研究者们开展了大量工作，如2006年发表于《工程力学》的《古建木结构榫卯连接特性的试验研究》，介绍了梁柱榫卯节点的试验结果及简化后的理论模型。但如何将其应用于木结构整体分析等方面还存在难度，如2007年发表于《东南大学学报(自然科学版)》的《独乐寺辽代建筑结构分析及计算模型简化》，在对独乐寺计算分析时并未考虑节点的半刚性；2013年发表于《建筑结构学报》的《应县木塔精细化结构建模及水平受力性能分析》，采用等效梁单元来反映梁柱节点的半刚性，但其无法区分节点在面外和面内表现出的抗弯性能差异，由此得到的计算模型需要进一步完善。
综上所述，亟需提出一种古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，从而能够准确反映其自身现状下的受力状态，为其现状稳定评估提供基础。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，包括如下步骤：
步骤S1、测量古建筑木结构柱架层控制点的坐标；
步骤S2、测量古建筑木结构铺作层控制点的坐标；
步骤S3、基于所测量的柱架层控制点和铺作层控制点的坐标，构建几何模型；
步骤S4、对古建筑木结构开展原位材料性能参数检测；
步骤S5、对古建筑木结构的节点性能进行初选，获取节点参数；
步骤S6、利用步骤S3所构建的几何模型、步骤S4所检测的材料性能参数和步骤S5所获取的节点参数，通过有限元软件建立计算模型，并进行计算模型迭代，直至计算模型在自重荷载作用下获得的各控制点坐标与测量得到的坐标之差的以向量形式表示后的长度|ΔUk|均满足条件：|ΔUk|≤1mm，则进行步骤S7；
步骤S7、开展木结构动力特性实测，识别出前两阶自振频率f1c、f2c以及振型Фc；
步骤S8、采用有限元方法对计算模型开展模态分析，得出前两阶自振频率f10、f20以及振型Ф；
步骤S9、计算f10相对于f1c的误差以及f20相对于f2c的误差，如果满足误差均在10％以内，且前两阶振型一致，则古建筑木结构稳定评估计算模型构建完成。
在一优选实施方式中，步骤S1中，测量时将柱架层控制点选为古建筑木结构中承重柱的柱底形心和柱顶形心，依据古建筑木结构形制分层、编号，逐层、逐柱地获取第i层、第j根承重柱的柱底形心和柱顶形心的三维坐标，每处柱底形心三维坐标以行向量形式表述为：
Figure BDA0003680728350000021
每处柱顶形心三维坐标以行向量形式表述：
Figure BDA0003680728350000031
基于柱底形心和柱顶形心的三维坐标
Figure BDA0003680728350000032
和
Figure BDA0003680728350000033
构建出木结构的柱架层。
在一优选实施方式中，步骤S2中，测量时将铺作层控制点选为古建筑木结构中各层柱架之间斗栱底面形心和斗栱顶面形心，记第i层、第j根柱子之上一攒斗栱的栌斗底部形心为斗栱底面形心，测量换算其三维坐标，每处斗栱底面形心三维坐标以行向量形式表述为：
Figure BDA0003680728350000034
选取第i层、第j根柱子之上一攒斗栱竖向轴线与斗栱最上层的梁构件轴线的交点作为斗栱顶面形心，测量换算其三维坐标，每处斗栱顶面形心三维坐标以行向量形式表述为：
Figure BDA0003680728350000035
基于斗栱底面形心和斗栱顶面形心的三维坐标
Figure BDA0003680728350000036
和
Figure BDA0003680728350000037
测量斗栱节点中其他构件轴线的交点，构建出木结构的铺作层。
在一优选实施方式中，步骤S6中，利用步骤S3所构建的几何模型、步骤S4所检测的材料性能参数和步骤S5所获取的节点参数，通过有限元软件建立计算模型，并进行计算模型迭代修正，包括如下步骤：
步骤S61、利用步骤S3所构建的几何模型、步骤S4所检测的材料性能参数和步骤S5所获取的节点参数，通过有限元软件建立第1代计算模型，记录此时k＝1，其中，模型采用梁单元构建，单元位置与构件的轴线方向重合；
步骤S62、开展第1代计算模型在自重荷载作用下的有限元分析，计算模型在自重荷载作用下的内力情况；
步骤S63、量化构件和节点的刚度损伤，获得第2代计算模型，记录此时k＝2，包括：对于勘查中存在显著残损的区域，详细勘查裂缝的深度和宽度，利用步骤S62计算得到的第1代计算模型的内力设计加载制度，以完好构件与带损伤构件的刚度之比作为刚度损伤指标D，在有限元模型中将对应构件区域的节点刚度从K修正到KD，并满足：KD＝K×(1-D)，获得第2代计算模型；
步骤S64、开展第k代计算模型在自重荷载作用下的有限元分析，提取计算得到的各控制点坐标：柱底形心
Figure BDA0003680728350000041
柱顶形心
Figure BDA0003680728350000042
斗栱底面形心
Figure BDA0003680728350000043
和斗栱顶面形心
Figure BDA0003680728350000044
步骤S65、计算第k代计算模型各控制点坐标与测量得到的坐标之差，以向量形式表示：其中，柱底形心
Figure BDA0003680728350000045
柱顶形心
Figure BDA0003680728350000046
斗栱底面形心
Figure BDA0003680728350000047
斗栱顶面形心
Figure BDA0003680728350000048
在一优选实施方式中，步骤S6中，利用步骤S3所构建的几何模型、步骤S4所检测的材料性能参数和步骤S5所获取的节点参数，通过有限元软件建立计算模型，并进行计算模型迭代修正，还包括如下步骤：
步骤S66、计算步骤S65中计算得到所有差向量的长度|ΔUk|，若均满足条件|ΔUk|≤1mm，则继续进行至步骤S7；否则进行步骤S67；
步骤S67、更新计算模型各控制点坐标，模型中的其他点可利用线性插值确定坐标，更新后的柱底形心
Figure BDA0003680728350000049
柱顶形心
Figure BDA00036807283500000410
斗栱底面形心
Figure BDA00036807283500000411
斗栱顶面形心
Figure BDA00036807283500000412
更新完成后，令k＝k+1，返回步骤S64。
在一优选实施方式中，步骤S3中，基于所测量的柱架层控制点和铺作层控制点的坐标，构建几何模型还包括：对于柱架层和铺作层以外的其余构件，测绘其轴线与相邻构件交点的坐标，与控制点坐标共同作为几何模型构建的依据，其中，其余构件包括斜向支撑、水平支撑。
在一优选实施方式中，步骤S4中，对古建筑木结构开展原位材料性能参数检测包括：利用应力波测试法获取木材的弹性模量，并参考相同树种的试验结论，推断其密度、泊松比、顺纹抗拉强度、横纹承压强度、抗剪强度。
在一优选实施方式中，步骤S5、对古建筑木结构的节点性能进行初选包括：利用不小于1:5的模型试验，获得节点的弯矩-转角曲线，获取节点关键指标，其中，节点性能初选对象包括古建筑木结构中的梁柱节点和柱脚节点，节点关键指标包括刚度、屈服强度、极限强度、失效位移。
在一优选实施方式中，还包括如下步骤：步骤S10、如果不满足误差均在10％以内，且前两阶振型一致，则返回步骤S61，若f1 0+f2 0<f1 c+f2 c，需要将步骤S6计算模型中的节点刚度按一定比例放大，若f1 0+f2 0>f1 c+f2 c，需要将步骤S6计算模型中的节点刚度按一定比例缩小，重复步骤S61-S66和S7-S9，直至f1 0相对于f1 c的误差以及f2 0相对于f2 c的误差均在10％以内，且前两阶振型一致，则古建筑木结构稳定评估计算模型构建完成。
在一优选实施方式中，步骤S7中，在强风作用下或较大外部激励下开展木结构动力特性实测，并根据频谱变换基于地脉动识别出前两阶自振频率f1c、f2c以及振型Фc。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的方法以勘查信息输入为基础构建计算模型，通过材料性能检测、节点性能初选、建立计算模型、有限元分析、量化构件和节点损伤、计算模型迭代、动力特性实测以及计算模型修正，最终所得的模型能够准确反映其自身现状下的受力状态，为其现状稳定评估提供基础。
(2)本发明提供了在构建古建筑木结构稳定评估计算模型时的关键技术，从几何上可以反映结构构架的初始残损，从材料性能上可以反映构件的力学性质，从节点受力性能上可以反映榫卯节点的半刚性特点，能够更为准确地反映古建筑木结构的实际受力情况。
附图说明
图1为本发明的优选实施方式的方法流程图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明优选实施方式的一种古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，包括如下步骤：
步骤S1、进行现场勘查，测量古建筑木结构柱架层控制点的坐标。
具体的，测量时将柱架层控制点选为古建筑木结构中承重柱的柱底形心和柱顶形心，依据古建筑木结构形制分层、编号，逐层、逐柱地获取第i层、第j根承重柱的柱底形心和柱顶形心的三维坐标，每处柱底形心三维坐标以行向量形式表述为：
Figure BDA0003680728350000061
每处柱顶形心三维坐标以行向量形式表述：
Figure BDA0003680728350000062
基于柱底形心和柱顶形心的三维坐标
Figure BDA0003680728350000063
和
Figure BDA0003680728350000064
构建出木结构的柱架层。
步骤S2、进行现场勘查，测量古建筑木结构铺作层控制点的坐标。
具体的，测量时将铺作层控制点选为古建筑木结构中各层柱架之间斗栱底面形心和斗栱顶面形心，记第i层、第j根柱子之上一攒斗栱的栌斗底部形心为斗栱底面形心，测量换算其三维坐标，每处斗栱底面形心三维坐标以行向量形式表述为：
Figure BDA0003680728350000065
选取第i层、第j根柱子之上一攒斗栱竖向轴线与斗栱最上层的梁构件轴线的交点作为斗栱顶面形心，测量换算其三维坐标，每处斗栱顶面形心三维坐标以行向量形式表述为：
Figure BDA0003680728350000066
Figure BDA0003680728350000067
基于斗栱底面形心和斗栱顶面形心的三维坐标
Figure BDA0003680728350000068
和
Figure BDA0003680728350000069
测量斗栱节点中其他构件轴线的交点，构建出木结构的铺作层。
优选地，如果铺作层斗栱节点中的构件存在不规则或局部变形、残损等情形，可借助局部三维激光扫描技术进行构件局部几何的勘查工作。
步骤S3、基于所测量的柱架层控制点和铺作层控制点的坐标，开展其他非控制点的测绘工作，最终完成几何模型的构建。对于柱架层和铺作层以外的其余构件，测绘其轴线与相邻构件交点的坐标，与控制点坐标共同作为几何模型构建的依据，其中，其余构件包括斜向支撑、水平支撑。
步骤S4、对古建筑木结构开展原位材料性能参数检测。具体的，包括：利用应力波测试法获取木材的弹性模量，并参考相同树种的试验结论，推断其密度、泊松比、顺纹抗拉强度、横纹承压强度、抗剪强度。
优选地，若经文物保护行政部门审批许可，可从木结构非承重、隐蔽部位取长方体试样，长度在50mm～500mm范围内选用，宽度和厚度在30mm～100mm范围内选用，在实验室中开展顺纹、横纹方向的力学性能试验，获取木材的弹性模量E、泊松比、顺纹抗拉强度、横纹承压强度、抗剪强度等关键力学性能参数。
步骤S5、对古建筑木结构的节点性能进行初选，获取节点参数。
具体的，利用不小于1:5的模型试验，获得节点的弯矩-转角曲线，获取节点关键指标，其中，节点性能初选对象包括古建筑木结构中的梁柱节点和柱脚节点，节点关键指标包括刚度、屈服强度、极限强度、失效位移。
步骤S6、利用步骤S3所构建的几何模型、步骤S4所检测的材料性能参数和步骤S5所获取的节点参数，通过有限元软件建立计算模型，并进行计算模型迭代，直至计算模型在自重荷载作用下获得的各控制点坐标与测量得到的坐标之差的以向量形式表示后的长度|ΔUk|均满足条件：|ΔUk|≤1mm，则进行步骤S7。具体的，包括如下步骤：
步骤S61、利用步骤S3所构建的几何模型、步骤S4所检测的材料性能参数和步骤S5所获取的节点参数，通过有限元软件建立第1代计算模型，记录此时k＝1，其中，模型采用梁单元构建，单元位置与构件的轴线方向重合；
步骤S62、开展第1代计算模型在自重荷载作用下的有限元分析，计算模型在自重荷载作用下的内力情况；
步骤S63、量化构件和节点的刚度损伤，获得第2代计算模型，记录此时k＝2，包括：对于勘查中存在显著残损的区域，详细勘查裂缝的深度和宽度，利用步骤S62计算得到的第1代计算模型的内力设计加载制度，以完好构件与带损伤构件的刚度之比作为刚度损伤指标D，在有限元模型中将对应构件区域的节点刚度从K修正到KD，并满足：KD＝K×(1-D)，获得第2代计算模型；
步骤S64、开展第k代计算模型在自重荷载作用下的有限元分析，提取计算得到的各控制点坐标：柱底形心
Figure BDA0003680728350000081
柱顶形心
Figure BDA0003680728350000082
斗栱底面形心
Figure BDA0003680728350000083
和斗栱顶面形心
Figure BDA0003680728350000084
步骤S65、计算第k代计算模型各控制点坐标与测量得到的坐标之差，以向量形式表示：其中，柱底形心
Figure BDA0003680728350000085
柱顶形心
Figure BDA0003680728350000086
斗栱底面形心
Figure BDA0003680728350000087
斗栱顶面形心
Figure BDA0003680728350000088
步骤S66、计算步骤S65中计算得到所有差向量的长度|ΔUk|，若均满足条件|ΔUk|≤1mm，则继续进行至步骤S7；否则进行步骤S67；
步骤S67、更新计算模型各控制点坐标，模型中的其他点可利用线性插值确定坐标，更新后的柱底形心
Figure BDA0003680728350000089
柱顶形心
Figure BDA00036807283500000810
斗栱底面形心
Figure BDA00036807283500000811
斗栱顶面形心
Figure BDA00036807283500000812
更新完成后，令k＝k+1，返回步骤S64。
步骤S7、开展木结构动力特性实测，根据频谱变换基于地脉动识别出前两阶自振频率f1c、f2c以及振型Фc。优选的，在强风作用下或较大外部激励下开展木结构动力特性实测。
步骤S8、采用有限元方法对计算模型开展模态分析，采用Lanczos法或子空间法得出前两阶自振频率f10、f20以及振型Ф；
步骤S9、计算f10相对于f1c的误差以及f20相对于f2c的误差，如果满足误差均在10％以内，且前两阶振型一致，则古建筑木结构稳定评估计算模型构建完成。
步骤S10、如果不满足误差均在10％以内，且前两阶振型一致，则返回步骤S61，若f1 0+f2 0<f1 c+f2 c，需要将步骤S6计算模型中的节点刚度按一定比例放大，若f1 0+f2 0>f1 c+f2 c，需要将步骤S6计算模型中的节点刚度按一定比例缩小，重复步骤S61-S66和S7-S9，直至f1 0相对于f1 c的误差以及f2 0相对于f2 c的误差均在10％以内，且前两阶振型一致，则古建筑木结构稳定评估计算模型构建完成。
实施例2
下面选择一单层金厢斗底槽结构作为具体实施例对本发明的方法进行详细介绍，该结构包括32根承重柱，每根柱上都有一朵斗栱。
步骤S1、进行现场勘查，获取古建筑木结构柱架层控制点的坐标。测量时将柱架层控制点选为古建筑木结构中承重柱的柱底形心和柱顶形心，测量时采用具备自动观测功能的电子全站仪和数字水准仪。依据古建筑木结构形制分层、编号，逐层、逐柱地获取第i层、第j根承重柱的柱底形心和柱顶形心的三维坐标，每处柱底形心三维坐标以行向量形式表述为：
Figure BDA0003680728350000091
Figure BDA0003680728350000092
每处柱顶形心三维坐标以行向量形式表述：
Figure BDA0003680728350000093
基于柱底形心和柱顶形心的三维坐标
Figure BDA0003680728350000094
和
Figure BDA0003680728350000095
构建出木结构的柱架层。
步骤S2、进行现场勘查，获取古建筑木结构铺作层控制点的坐标。测量时将铺作层控制点选为古建筑木结构中各层柱架之间斗栱底面形心和斗栱顶面形心。记第i层、第j根柱子之上一攒斗栱的栌斗底部形心为斗栱底面形心，测量换算其三维坐标，每处斗栱底面形心三维坐标以行向量形式表述为：
Figure BDA0003680728350000096
选取第i层、第j根柱子之上一攒斗栱竖向轴线与斗栱最上层的梁构件轴线的交点作为斗栱顶面形心，测量换算其三维坐标，每处斗栱顶面形心三维坐标以行向量形式表述：
Figure BDA0003680728350000097
基于斗栱底面形心和斗栱顶面形心的三维坐标
Figure BDA0003680728350000098
和
Figure BDA0003680728350000099
测量斗栱节点中其他构件轴线的交点，构建出木结构的铺作层。
步骤S1和步骤S2得到的各控制点详细坐标见表1。
表1
Figure BDA0003680728350000101
Figure BDA0003680728350000111
步骤S3、构建几何模型：基于柱架层和铺作层控制点，开展其他非控制点的测绘工作，最终完成几何模型的构建。
步骤S4、对古建筑木结构开展原位材料性能检测，利用应力波测试法获取木材的弹性模量E，并参考相同树种的试验结论，推断密度、泊松比、顺纹抗拉强度、横纹承压强度、抗剪强度等力学性能指标。列出梁柱节点和柱脚节点附近原位测试获得的弹性模量如表2所示。
表2
Figure BDA0003680728350000112
Figure BDA0003680728350000121
步骤S5、节点性能初选，对象包括古建筑木结构中的梁柱节点和柱脚节点等。利用1:4的模型试验，获得节点的弯矩–转角曲线，获取节点刚度、屈服强度、极限强度、失效位移等关键指标。列出梁柱节点和柱脚节点的刚度详如表3所示。
表3
Figure BDA0003680728350000122
Figure BDA0003680728350000131
步骤S6：利用步骤S3所构建的几何模型、步骤S4所检测的材料性能参数和步骤S5所获取的节点参数，通过有限元软件建立计算模型，并进行计算模型迭代，直至计算模型各控制点坐标与测量得到的坐标之差的以向量形式表示后的长度|ΔUk|均满足条件：|ΔUk|≤1mm，则进行步骤S7。
具体的，步骤S61、构建第1代计算模型。利用步骤S3所构建的几何模型、步骤S4所检测的材料性能参数和步骤S5所获取的节点参数，借助ANSYS通用有限元软件，建立第1代计算模型(记录此时k＝1)，模型采用梁单元构建，单元位置与构件的轴线方向重合。
步骤S62：开展第1代计算模型在自重荷载作用下的有限元分析，利用Newton-Ralphson法计算模型在自重荷载作用下的内力情况。
步骤S63：量化构件和节点的刚度损伤，获得第2代计算模型(记录此时k＝2)。对于勘查中存在显著残损的区域，如柱头、柱脚、梁端等部位，详细勘查裂缝的深度和宽度，利用适当比例的模型试验，利用步骤⑦计算得到的第1代计算模型的内力设计加载制度，以完好构件与带损伤构件的刚度之比作为刚度损伤指标D，在有限元模型中将对应构件区域的节点刚度从K修正到KD，需要满足：KD＝K×(1-D)，获得第2代计算模型。修正后的节点刚度列出于表4。
表4
Figure BDA0003680728350000132
Figure BDA0003680728350000141
步骤S64：开展第k代计算模型(k＝2)在自重荷载作用下的有限元分析，提取计算得到的各控制点坐标：柱底形心
Figure BDA0003680728350000142
柱顶形心
Figure BDA0003680728350000143
斗栱底面形心
Figure BDA0003680728350000144
和斗栱顶面形心
Figure BDA0003680728350000145
详细坐标见表5。
表5
Figure BDA0003680728350000146
Figure BDA0003680728350000151
步骤S65：计算第k代计算模型各控制点坐标与测量得到的坐标之差，以向量形式表示，其中，柱底形心
Figure BDA0003680728350000152
柱顶形心
Figure BDA0003680728350000153
斗栱底面形心
Figure BDA0003680728350000154
斗栱顶面形心
Figure BDA0003680728350000155
步骤S66：计算步骤S65中计算得到所有差向量的长度|ΔUk|。列出于表6。可以看出，不能满足|ΔUk|≤1mm，则需进行步骤S67。
表6
Figure BDA0003680728350000156
Figure BDA0003680728350000161
步骤S67：计算模型迭代。更新计算模型各控制点坐标，模型中的其他点可利用线性插值确定坐标。更新后的柱底形心
Figure BDA0003680728350000162
柱顶形心
Figure BDA0003680728350000163
斗栱底面形心
Figure BDA0003680728350000164
斗栱顶面形心
Figure BDA0003680728350000165
更新完成后，令k＝k+1，返回步骤S64。当迭代至k＝6时，步骤S66中的|ΔUk|≤1mm的要求得到满足，此时的控制点坐标列于表7。
表7
Figure BDA0003680728350000166
Figure BDA0003680728350000171
步骤S7：在冬季强西南风作用下开展木结构动力特性测试，根据频谱变换识别出前两阶自振频率f1 c＝0.60Hz、f2 c＝1.75Hz，一阶振型为南北方向的受弯，二阶振型为东西方向受弯。
步骤S8：采用有限元方法对计算模型开展模态分析，利用子空间法得到前两阶自振频率f1 0＝0.58Hz、f2 0＝1.67Hz，一阶振型为南北方向的受弯，二阶振型为东西方向受弯。
步骤S9：计算f1 0相对于f1 c的误差以及f2 0相对于f2 c的误差。|f1 0-f1 c|/f1 c＝3.33％<10％，|f2 0-f2 c|/f2 c＝4.6％<10％，误差均在10％以内，且前两阶振型一致，最终古建筑木结构稳定评估计算模型构建完成。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1、测量古建筑木结构柱架层控制点的坐标；
步骤S2、测量古建筑木结构铺作层控制点的坐标；
步骤S3、基于所测量的柱架层控制点和铺作层控制点的坐标，构建几何模型；
步骤S4、对古建筑木结构开展原位材料性能参数检测；
步骤S5、对古建筑木结构的节点性能进行初选，获取节点参数；
步骤S6、利用步骤S3所构建的几何模型、步骤S4所检测的材料性能参数和步骤S5所获取的节点参数，通过有限元软件建立计算模型，并进行计算模型迭代，直至计算模型在自重荷载作用下获得的各控制点坐标与测量得到的坐标之差的以向量形式表示后的长度|ΔUk|均满足条件：|ΔUk|≤1mm，则进行步骤S7；
步骤S7、开展木结构动力特性实测，识别出前两阶自振频率f1c、f2c以及振型Фc；
步骤S8、采用有限元方法对计算模型开展模态分析，得出前两阶自振频率f10、f20以及振型Ф；
步骤S9、计算f10相对于f1c的误差以及f20相对于f2c的误差，如果满足误差均在10％以内，且前两阶振型一致，则古建筑木结构稳定评估计算模型构建完成。
2.根据权利要求1所述的古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，其特征在于：步骤S1中，测量时将柱架层控制点选为古建筑木结构中承重柱的柱底形心和柱顶形心，依据古建筑木结构形制分层、编号，逐层、逐柱地获取第i层、第j根承重柱的柱底形心和柱顶形心的三维坐标，每处柱底形心三维坐标以行向量形式表述为：
Figure FDA0003680728340000011
每处柱顶形心三维坐标以行向量形式表述：
Figure FDA0003680728340000012
基于柱底形心和柱顶形心的三维坐标
Figure FDA0003680728340000021
和
Figure FDA0003680728340000022
构建出木结构的柱架层。
3.根据权利要求2所述的古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，其特征在于：步骤S2中，测量时将铺作层控制点选为古建筑木结构中各层柱架之间斗栱底面形心和斗栱顶面形心，记第i层、第j根柱子之上一攒斗栱的栌斗底部形心为斗栱底面形心，测量换算其三维坐标，每处斗栱底面形心三维坐标以行向量形式表述为：
Figure FDA0003680728340000023
选取第i层、第j根柱子之上一攒斗栱竖向轴线与斗栱最上层的梁构件轴线的交点作为斗栱顶面形心，测量换算其三维坐标，每处斗栱顶面形心三维坐标以行向量形式表述为：
Figure FDA0003680728340000024
基于斗栱底面形心和斗栱顶面形心的三维坐标
Figure FDA0003680728340000025
和
Figure FDA0003680728340000026
测量斗栱节点中其他构件轴线的交点，构建出木结构的铺作层。
4.根据权利要求3所述的古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，其特征在于：步骤S6中，利用步骤S3所构建的几何模型、步骤S4所检测的材料性能参数和步骤S5所获取的节点参数，通过有限元软件建立计算模型，并进行计算模型迭代修正，包括如下步骤：
步骤S61、利用步骤S3所构建的几何模型、步骤S4所检测的材料性能参数和步骤S5所获取的节点参数，通过有限元软件建立第1代计算模型，记录此时k＝1，其中，模型采用梁单元构建，单元位置与构件的轴线方向重合；
步骤S62、开展第1代计算模型在自重荷载作用下的有限元分析，计算模型在自重荷载作用下的内力情况；
步骤S63、量化构件和节点的刚度损伤，获得第2代计算模型，记录此时k＝2，包括：对于勘查中存在显著残损的区域，详细勘查裂缝的深度和宽度，利用步骤S62计算得到的第1代计算模型的内力设计加载制度，以完好构件与带损伤构件的刚度之比作为刚度损伤指标D，在有限元模型中将对应构件区域的节点刚度从K修正到KD，并满足：KD＝K×(1-D)，获得第2代计算模型；
步骤S64、开展第k代计算模型在自重荷载作用下的有限元分析，提取计算得到的各控制点坐标：柱底形心
Figure FDA0003680728340000031
柱顶形心
Figure FDA0003680728340000032
斗栱底面形心
Figure FDA0003680728340000033
和斗栱顶面形心
Figure FDA0003680728340000034
步骤S65、计算第k代计算模型各控制点坐标与测量得到的坐标之差，以向量形式表示：其中，柱底形心
Figure FDA0003680728340000035
柱顶形心
Figure FDA0003680728340000036
斗栱底面形心
Figure FDA0003680728340000037
斗栱顶面形心
Figure FDA0003680728340000038
5.根据权利要求4所述的古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，其特征在于：步骤S6中，利用步骤S3所构建的几何模型、步骤S4所检测的材料性能参数和步骤S5所获取的节点参数，通过有限元软件建立计算模型，并进行计算模型迭代修正，还包括如下步骤：
步骤S66、计算步骤S65中计算得到所有差向量的长度|ΔUk|，若均满足条件|ΔUk|≤1mm，则继续进行至步骤S7；否则进行步骤S67；
步骤S67、更新计算模型各控制点坐标，模型中的其他点可利用线性插值确定坐标，更新后的柱底形心
Figure FDA0003680728340000039
柱顶形心
Figure FDA00036807283400000310
斗栱底面形心
Figure FDA00036807283400000311
斗栱顶面形心
Figure FDA00036807283400000312
更新完成后，令k＝k+1，返回步骤S64。
6.根据权利要求1所述的古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，其特征在于：步骤S3中，基于所测量的柱架层控制点和铺作层控制点的坐标，构建几何模型还包括：对于柱架层和铺作层以外的其余构件，测绘其轴线与相邻构件交点的坐标，与控制点坐标共同作为几何模型构建的依据，其中，其余构件包括斜向支撑、水平支撑。
7.根据权利要求1所述的古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，其特征在于：步骤S4中，对古建筑木结构开展原位材料性能参数检测包括：利用应力波测试法获取木材的弹性模量，并参考相同树种的试验结论，推断其密度、泊松比、顺纹抗拉强度、横纹承压强度、抗剪强度。
8.根据权利要求1所述的古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，其特征在于：步骤S5、对古建筑木结构的节点性能进行初选包括：利用不小于1:5的模型试验，获得节点的弯矩-转角曲线，获取节点关键指标，其中，节点性能初选对象包括古建筑木结构中的梁柱节点和柱脚节点，节点关键指标包括刚度、屈服强度、极限强度、失效位移。
9.根据权利要求5所述的古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，其特征在于：还包括如下步骤：
步骤S10、如果不满足误差均在10％以内，且前两阶振型一致，则返回步骤S61，若f1 0+f2 0<f1 c+f2 c，需要将步骤S6计算模型中的节点刚度按一定比例放大，若f1 0+f2 0>f1 c+f2 c，需要将步骤S6计算模型中的节点刚度按一定比例缩小，重复步骤S61-S66和S7-S9，直至f1 0相对于f1 c的误差以及f2 0相对于f2 c的误差均在10％以内，且前两阶振型一致，则古建筑木结构稳定评估计算模型构建完成。
10.根据权利要求1所述的古建筑木结构稳定评估计算模型的构建方法，其特征在于：步骤S7中，在强风作用下或较大外部激励下开展木结构动力特性实测，并根据频谱变换基于地脉动识别出前两阶自振频率f1c、f2c以及振型Фc。
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