一种斗栱的竖向计算模型简化方法技术

本发明专利技术公开了一种斗栱的竖向计算模型简化方法，涉及斗栱分析计算技术领域。本发明专利技术采用简化方法为采用有限元梁杆单元对斗栱计算模型进行简化，使得斗栱竖向受力模拟准确且计算快捷：建立斗栱的有限元精细模型；分析斗栱有限元精细模型在进深方向和面阔方向下的应力迹线，提取斗栱内部的传力路径和各构件的应力情况；根据各构件的应力情况和斗拱的真实构造情况将斗栱的各构件简化为梁单元构件或杆单元构件；对于简化为杆单元的构件，根据等刚度原则引进简化模型构件的面积折减系数。本发明专利技术的简化模型减少斗栱有限元模型的计算时间，提高中国传统木结构遗产的有限元模型计算分析的完整性、准确性和计算效率。准确性和计算效率。准确性和计算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种斗栱的竖向计算模型简化方法


[0001]本专利技术属于斗栱分析计算
，特别是涉及一种斗栱的竖向计算模型简化方法。

技术介绍

[0002]我国现存古代建筑的遗存中以木结构建筑居多，有宫殿、府衙、寺庙、民居、楼塔等各种形式，约占全部古建筑的60％以上；其中，宫殿、府衙、寺庙、楼塔等集具古代匠人智慧大成的传统建筑大多使用斗栱。斗栱是中国传统木构建筑的精髓，也是极其关键的传力构件，屋面荷载往往需要通过斗栱传至柱头，是传统木构建筑主要传力路径上的重要构造。在宋元时期，斗栱的高度与柱高之比甚至达到了1：3，其尺度之庞大也说明其在结构中的关键作用。一朵斗栱往往由各式各样的斗、栱、昂、衬方头和耍头组成，斗又分四种：栌斗、散斗、齐心斗和交互斗；栱又分五种：华栱、泥道栱、瓜子栱、慢栱和令栱，其间均由榫卯插接而成，无一金属连接件，其复杂和精妙的内部结构不言而喻。然而，复杂的构造导致对其结构性能的计算分析往往较为困难；另一方面，若要对中国传统木构建筑整体结构性能进行数值模拟，斗栱自身复杂的内部结构在建筑结构整体建模时往往无法被全面考虑。因此，需要在清楚斗栱各构件在常见荷载工况下的受力情况与传力机制的条件下，提出在对中国传统木构建筑整体结构性能计算分析时、能准确考虑斗栱各方面结构性能的可靠的简化计算模型。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种斗栱的竖向计算模型简化方法，通过提升中国古建筑木结构有限元模型分析计算的准确性和效率。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术为一种斗栱的竖向计算模型简化方法，包括以下步骤：
[0006]建立斗栱的精细化有限元模型，进行受力分析；
[0007]于有限元模型的应力迹线云图上提取拉、压应力传递路径；
[0008]将斗拱中的构件根据应力传递路径简化为梁单元或杆单元构件使得斗拱所承荷载汇集至底端栌斗。
[0009]进一步地，在斗拱中，于拉压应力传递路径上，将受拉力大于压力的构件简化为梁单元构件，受压应力的杆件均在建筑的整体空间中为斜向的，将主要受压的构件简化为杆单元构件。
[0010]进一步地，在斗拱中，在进深方向上，所承受力至少在2/3为弯力作用的构件简化为梁单元构件。
[0011]进一步地，里耍头和昂作为为梁单元构件。
[0012]进一步地，在斗拱中，在面阔方向，单栱和重栱作为杆单元斜向构件。
[0013]进一步地，斗栱中轴线上竖向的传力路径应在简化模型中被简化为一根竖向的梁单元构件。
[0014]进一步地，有限元模型构件的简化方式是以构件的长度、方向、端面中心点为特征进行构建的。
[0015]进一步地，梁单元构件截面尺寸按照真实截面尺寸取值，杆单元的斜向构件引入折减系数对其截面面积进行折减，竖向传力路径简化成的梁单元构件截面形状为正方形，截面尺寸为材宽或斗的内侧宽度。
[0016]进一步地，进深方向的华栱和面阔方向的单栱，以位移法求得悬臂梁模型的竖向刚度，依据变形理论获得斜杆刚度的竖向分量，使得简化模型和精细化完整模型两者的竖向刚度相等，则可以获得进深方向构件中华栱和面阔方向构件中的单栱的斜杆简化模型的截面面积折减系数k1和k2；
[0017]将华栱简化为杆单元的斜向构件时，其构件截面面积的折减系数为k1，计算公式为a
t
为华栱长度的一半的距离，s
t
为华栱上散斗或交互斗受力点的位置和华栱中心点连接线的长度，θ
t
为a
t
和s
t
的夹角；单栱为杆单元的斜向构件时，单栱构件截面面积的折减系数为k2，计算公式为h1为栱构件的截面高度，h2为单栱上散斗受力中心点的位置到单栱中心点的高度，a
n
为单栱上散斗受力中心点到单栱中心点的水平距离，s
n
为华栱上散斗或交互斗受力点的位置和华栱中心点连接线的长度，θ
n
为a
n
和s
n
的夹角。
[0018]进一步地，重栱结构简化为两根不等长的悬臂梁，两悬臂梁之间由一根刚性链杆连接；
[0019]分析结构变形时，拆除链杆，假设链杆的轴力为P，则重栱的简化结构可拆分为两根悬臂梁，下部的短悬臂梁仅在端部受链杆传递的集中力P，上部较长的悬臂梁在端部受一向下的位移荷载δA，中间受链杆传递的向上的集中力P；则此重栱简化结构的竖向刚度为两根悬臂梁支座的竖向反力之和，令双悬臂梁简化结构的竖向刚度和斜杆简化模型的竖向刚度分量相等，求得面阔方向构件中重栱斜杆简化模型的截面面积折减系数k3；将重栱简化为杆单元的斜向构件时，其构件截面面积的折减系数为k3，计算公式为其中a
n
为下部栱上散斗受力中心点到单栱中心点的水平距离，am为为上部栱上散斗受力中心点到单栱中心点的水平距离，s
m
为上部栱上散斗或交互斗受力点的位置和下部栱中心点连接线的长度，θm为a
m
和s
m
的夹角，其中，2h2≈a
m
，则有因此k3还可简化计算：
[0020]所述。
[0021]本专利技术具有以下有益效果：
[0022]1、在将斗栱中受压构件简化为斜向杆单元受压构件时，充分考虑真实构件和压杆模型在竖向刚度上的差异，引入对简化构件面积的折减系数，显著提升了简化模型的准确性；
[0023]2、在应力方面，简化模型与精细模型总体应力分布的一致性较好；
[0024]3、在变形方面，简化模型和原模型总体变形的一致性较好，其对于数值的估计的误差在10％左右；
[0025]4、在竖向刚度方面，简化模型和原模型竖向刚度的一致性较好，简化模型与精细模型的数值误差在4％～11％；
[0026]5、在计算时间方面，简化模型的计算时间远远小于原模型所需的时间，可下降90％～97％，大大提升了计算效率。
[0027]当然，实施本专利技术的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
[0028]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0029]图1为计心造斗栱示意图及屋面荷载工况；
[0030]图2为计心造斗栱在屋面荷载作用下的主应力方向云图；
[0031]图3为本专利技术所提供的基于应力分布和传力路径的梁杆式斗栱简化模型建立方法示意图；
[0032]图4为本专利技术计算华栱和单栱简化为等效斜撑的计算简图；
[0033]图5为本专利技术计算重栱简化为等效斜撑的计算简图。
具体实施方式
[0034]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种斗栱的竖向计算模型简化方法，其特征在于，包括以下步骤：建立斗栱的精细化有限元模型，进行受力分析；于有限元模型的应力迹线云图上提取拉、压应力传递路径；将斗拱中的构件根据应力传递路径简化为梁单元或杆单元构件使得斗拱所承荷载汇集至底端栌斗。2.根据权利要求1所述的一种斗栱的竖向计算模型简化方法，其特征在于，在斗拱中，于拉压应力传递路径上，将受拉力大于压力的构件简化为梁单元构件，受压应力的杆件均在建筑的整体空间中为斜向的，将主要受压的构件简化为杆单元构件。3.根据权利要求2所述的一种斗栱的竖向计算模型简化方法，其特征在于，在斗拱中，在进深方向上，所承受力至少在2/3为弯力作用的构件简化为梁单元构件。4.根据权利要求3所述的一种斗栱的竖向计算模型简化方法，其特征在于，里耍头和昂作为为梁单元构件。5.根据权利要求1
‑
4任意一所述的一种斗栱的竖向计算模型简化方法，其特征在于，在斗拱中面阔方向，单栱和重栱作为杆单元斜向构件。6.根据权利要求5所述的一种斗栱的竖向计算模型简化方法，其特征在于，斗栱中轴线上竖向的传力路径应在简化模型中被简化为一根竖向的梁单元构件。7.根据权利要求6所述的一种斗栱的竖向计算模型简化方法，其特征在于，有限元模型构件的简化方式是以构件的长度、方向、端面中心点为特征进行构建的。8.根据权利要求5所述的一种斗栱的竖向计算模型简化方法，其特征在于，梁单元构件截面尺寸按照真实截面尺寸取值，杆单元的斜向构件引入折减系数对其截面面积进行折减，竖向传力路径简化成的梁单元构件截面形状为正方形，截面尺寸为材宽或斗的内侧宽度。9.根据权利要求8所述的一种斗栱的竖向计算模型简化方法，其特征在于，进深方向的华栱和面阔方向的单栱，以位移法求得悬臂梁模型的竖向刚度，依据变形理论获得斜杆刚度的竖向分量，使得简化模型和精细化完整模型两者的竖向刚度相等，则可以获得进深方向构件中华栱和面阔方向构件中的单栱的斜杆简化模型的截面面积折减系数k1和k2；将华栱简化为杆单元的斜向构件时，其构...

【专利技术属性】
技术研发人员：淳庆，金辉，华一唯，张承文，林怡婕，张盟，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：