中国古建筑木结构加固及其性能研究

摘要

古建筑木结构由于其独特的结构特性而具有优良的力学性能,使得像山西佛光寺大殿以及五台山南禅寺大殿这些经历千年风吹雨打和多次地震的典型古建筑物依然屹立于中华大地。然而,在漫长的历史岁月中,由于材料的老化、腐朽、虫蛀以及强震、战火、风雨侵蚀等自然力以及人为的破坏,再加上多年来对其保护不够重视、年久失修,使得这些现存古建筑木结构处于结构体系破坏、多种病害缠身、险情不断发展甚至潜伏坍塌的危险状态。因此,作为国家重点文化保护遗产的现存古建筑木结构建筑物,其修缮加固工作变得尤为重要。
　　本文结合汶川地震后对现存古建筑木结构的震害调查,通过系统归纳和分类统计,对古建筑木结构的地基基础、梁柱和枓栱等构件、榫卯节点、整体稳定性以及围护结构在地震作用下的破坏情况及破坏原因、木材性能退化等进行了详细的分析和探讨;并针对结构不同的破坏情况,提出了相应的抗震加固方法。
　　为了掌握古建筑木结构地震作用下的破坏过程及对应的破坏状态,对震后古建筑木结构的破坏程度做出合理的评估,基于燕尾榫柱架和枓栱铺作层低周反复荷载作用下的滞回特性和能量耗散原理,将燕尾榫柱架和枓栱铺作层看做两耗能构件,计算出其在低周反复荷载作用下的“抵抗破坏潜能”;根据古建筑木结构振动台试验,计算出各工况地震作用下每一耗能构件所耗散的能量;基于构件的“抵抗破坏潜能”和各工况下的地震耗能情况建立耗能构件在不同地震作用下的地震破坏评估模型,并借助于能量分配系数找出了各耗能构件破坏状态与整体结构破坏状态之间的关系,从而建立整体结构在不同地震作用下的破坏评估模型。应用该地震破坏评估模型,分别对燕尾榫柱架和枓栱铺作层以及整体结构进行构件地震破坏评估和整体结构地震破坏评估,所得到的破坏系数能较好地反映各构件以及整体结构在不同地震作用下的破坏状态。
　　对按照宋代《营造法式》构造要求制作的古建筑木结构实体加固模型进行模拟振动台试验。选用三条地震波分别对结构模型的柱根、柱头、铺作、乳栿的位移、加速度响应、地震剪力以及榫卯节点的内力进行定量研究,并对结构的破坏形态、动力特性、扭转效应进行定性分析。研究结果表明:柱础的摩擦滑移、半刚性榫卯节点的转动以及枓栱铺作层的滑移使得结构模型地震响应大幅度减小,满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设计要求;结构模型最大剪力沿高度的分布出现在柱架层或柱础层,并非一定出现在结构的柱础最低层;得出榫卯节点不同工况下的转动弯矩最大值;由于高振型的参与以及质量和刚度不均匀分布,结构模型在400Gal后出现明显的扭转。
　　根据碳纤维布加固古建筑木结构力学性能,基于试验和理论分析,分别得出了能够体现碳纤维布加固古建筑木结构独特受力性能的各关键部位或构件的恢复力特性曲线;用Combine40弹簧单元、Combine39弹簧单元+Combine14弹簧单元以及Combine39弹簧单元简化模拟柱脚与础石间的摩擦滑移特性、半刚性榫卯及枓栱连接,建立整体结构的有限元计算模型。模态分析得出了结构模型的前十阶振型及自振频率。地震响应分析显示,随着地震动强度的增大,结构各层的最大位移值和加速度值逐渐增大,同时各层的动力放大系数越来越小,说明大震时半刚性榫卯连接的减震效果比中震和小震时的减震效果要好。
　　殿堂式古建筑木结构由于其独特的构造特点而具有与现代建筑结构不同的抗震性能,现有的结构动力分析模型对于古建筑木结构不再适用。基于其水平地震作用下的受力性能及动力破坏形态,给出了关键构件的简化分析模型,将柱架简化为“摇摆柱”,将枓栱铺作层简化为“剪弯杆”;根据简化分析模型及整体结构质量分布情况,提出了单层殿堂式古建筑木结构的两质点“摇摆-剪弯”动力分析模型;结合构件试验以及动力学理论推导得到了动力分析模型不同受力状态下各参数的计算方法及适用范围,并与振动台试验结果进行对比。结果表明,提出的动力分析模型可以较好地反映单层殿堂式古建筑木结构在水平地震作用下的动力反应。
　　最后,结合碳纤维布和扁钢加固燕尾榫节点在外荷载作用下的受力破坏性能,并根据试验破坏情况,提出了碳纤维布和扁钢加固古建筑木结构燕尾榫节点的抗弯承载力计算公式,并给出了合理的加固设计建议,为古建筑木结构的修缮加固提供理论依据。

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景及目的意义

1.2 国内外研究现状及存在的问题

1.3 本文的主要研究内容

参考文献

2 古建筑木结构的破坏分析及其加固方法

2.1 现存古建筑木结构的基本特点

2.2 古建筑木结构的破坏分析

2.3 古建筑木结构的修缮加固

2.4加固方案评价

2.5本章小结

3 基于结构潜能和能量耗散的古建筑木结构地震破坏评估

3.1概述

3.2古建筑木结构振动台试验模型设计及试验方案

3.3古建筑木结构地震作用下耗能分析

3.4古建筑木结构的关键耗能构件地震破坏评估

3.5古建筑木结构的整体结构地震破坏评估

3.6基于破坏程度的古建筑木结构震害等级及抗震能力指数划分

3.7 本章小结

参考文献

4 碳纤维布加固单层殿堂式古建筑木结构振动台试验研究

4.1概述

4.2 加固试验模型设计

4.3 试验测量内容及加载方案

4.4 试验结果分析

4.5 与扁钢加固模型振动台试验结果比较

4.6 本章小结

参考文献

5 碳纤维布加固古建筑木结构弹塑性动力时程分析

5.1概述

5.2 古建筑木结构柱脚滑移恢复力特征曲线

5.3 碳纤维布加固燕尾榫柱架恢复力特征曲线

5.4 单朵枓栱铺作层恢复力特征曲线

5.5 碳纤维布加固古建筑木结构弹塑性动力时程分析

5.6 本章小结

参考文献

6 单层殿堂式古建筑木结构动力分析计算模型

6.1概述

6.2 单层殿堂式古建筑木结构简化模型

6.3 古建筑木结构“摇摆-剪弯”简化模型地震反应分析原理

6.4 计算模型振动台试验验证

6.5 本章小结

参考文献

7 古建筑木结构加固残损节点的性能分析与设计方法

7.1概述

7.2 碳纤维布加固残损节点的破坏形态

7.3 碳纤维布加固残损节点的抗弯承载力计算

7.4 碳纤维布加固残损榫卯节点的设计建议

7.5 铁件加固残损节点的破坏形态

7.6 扁钢加固残损榫卯节点的抗弯承载力计算

7.7 扁钢加固榫卯节点设计建议

7.8 本章小结

参考文献

8 结论与展望

8.1 本文主要结论

8.2 展望

致谢

附 录