中國古建筑木結(jié)構(gòu)加固及其性能研究.pdf

1、古建筑木結(jié)構(gòu)由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性而具有優(yōu)良的力學(xué)性能,使得像山西佛光寺大殿以及五臺山南禪寺大殿這些經(jīng)歷千年風(fēng)吹雨打和多次地震的典型古建筑物依然屹立于中華大地。然而,在漫長的歷史歲月中,由于材料的老化、腐朽、蟲蛀以及強(qiáng)震、戰(zhàn)火、風(fēng)雨侵蝕等自然力以及人為的破壞,再加上多年來對其保護(hù)不夠重視、年久失修,使得這些現(xiàn)存古建筑木結(jié)構(gòu)處于結(jié)構(gòu)體系破壞、多種病害纏身、險情不斷發(fā)展甚至潛伏坍塌的危險狀態(tài)。因此,作為國家重點(diǎn)文化保護(hù)遺產(chǎn)的現(xiàn)存古建筑木結(jié)構(gòu)建

2、筑物,其修繕加固工作變得尤為重要。
　　本文結(jié)合汶川地震后對現(xiàn)存古建筑木結(jié)構(gòu)的震害調(diào)查,通過系統(tǒng)歸納和分類統(tǒng)計(jì),對古建筑木結(jié)構(gòu)的地基基礎(chǔ)、梁柱和枓栱等構(gòu)件、榫卯節(jié)點(diǎn)、整體穩(wěn)定性以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞情況及破壞原因、木材性能退化等進(jìn)行了詳細(xì)的分析和探討;并針對結(jié)構(gòu)不同的破壞情況,提出了相應(yīng)的抗震加固方法。
　　為了掌握古建筑木結(jié)構(gòu)地震作用下的破壞過程及對應(yīng)的破壞狀態(tài),對震后古建筑木結(jié)構(gòu)的破壞程度做出合理的評估,基于燕尾

3、榫柱架和枓栱鋪?zhàn)鲗拥椭芊磸?fù)荷載作用下的滯回特性和能量耗散原理,將燕尾榫柱架和枓栱鋪?zhàn)鲗涌醋鰞珊哪軜?gòu)件,計(jì)算出其在低周反復(fù)荷載作用下的“抵抗破壞潛能”;根據(jù)古建筑木結(jié)構(gòu)振動臺試驗(yàn),計(jì)算出各工況地震作用下每一耗能構(gòu)件所耗散的能量;基于構(gòu)件的“抵抗破壞潛能”和各工況下的地震耗能情況建立耗能構(gòu)件在不同地震作用下的地震破壞評估模型,并借助于能量分配系數(shù)找出了各耗能構(gòu)件破壞狀態(tài)與整體結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)之間的關(guān)系,從而建立整體結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的破壞評估

4、模型。應(yīng)用該地震破壞評估模型,分別對燕尾榫柱架和枓栱鋪?zhàn)鲗右约罢w結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)件地震破壞評估和整體結(jié)構(gòu)地震破壞評估,所得到的破壞系數(shù)能較好地反映各構(gòu)件以及整體結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的破壞狀態(tài)。
　　對按照宋代《營造法式》構(gòu)造要求制作的古建筑木結(jié)構(gòu)實(shí)體加固模型進(jìn)行模擬振動臺試驗(yàn)。選用三條地震波分別對結(jié)構(gòu)模型的柱根、柱頭、鋪?zhàn)?、乳栿的位移、加速度響?yīng)、地震剪力以及榫卯節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力進(jìn)行定量研究,并對結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)、動力特性、扭轉(zhuǎn)效應(yīng)進(jìn)行定性分

5、析。研究結(jié)果表明:柱礎(chǔ)的摩擦滑移、半剛性榫卯節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動以及枓栱鋪?zhàn)鲗拥幕剖沟媒Y(jié)構(gòu)模型地震響應(yīng)大幅度減小,滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的設(shè)計(jì)要求;結(jié)構(gòu)模型最大剪力沿高度的分布出現(xiàn)在柱架層或柱礎(chǔ)層,并非一定出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的柱礎(chǔ)最低層;得出榫卯節(jié)點(diǎn)不同工況下的轉(zhuǎn)動彎矩最大值;由于高振型的參與以及質(zhì)量和剛度不均勻分布,結(jié)構(gòu)模型在400Gal后出現(xiàn)明顯的扭轉(zhuǎn)。
　　根據(jù)碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)力學(xué)性能,基于試驗(yàn)和理論分析,分別得出了能

6、夠體現(xiàn)碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)獨(dú)特受力性能的各關(guān)鍵部位或構(gòu)件的恢復(fù)力特性曲線;用Combine40彈簧單元、Combine39彈簧單元+Combine14彈簧單元以及Combine39彈簧單元簡化模擬柱腳與礎(chǔ)石間的摩擦滑移特性、半剛性榫卯及枓栱連接,建立整體結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型。模態(tài)分析得出了結(jié)構(gòu)模型的前十階振型及自振頻率。地震響應(yīng)分析顯示,隨著地震動強(qiáng)度的增大,結(jié)構(gòu)各層的最大位移值和加速度值逐漸增大,同時各層的動力放大系數(shù)越來越小,說

7、明大震時半剛性榫卯連接的減震效果比中震和小震時的減震效果要好。
　　殿堂式古建筑木結(jié)構(gòu)由于其獨(dú)特的構(gòu)造特點(diǎn)而具有與現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)不同的抗震性能,現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)動力分析模型對于古建筑木結(jié)構(gòu)不再適用?；谄渌降卣鹱饔孟碌氖芰π阅芗皠恿ζ茐男螒B(tài),給出了關(guān)鍵構(gòu)件的簡化分析模型,將柱架簡化為“搖擺柱”,將枓栱鋪?zhàn)鲗雍喕癁椤凹魪潡U”;根據(jù)簡化分析模型及整體結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布情況,提出了單層殿堂式古建筑木結(jié)構(gòu)的兩質(zhì)點(diǎn)“搖擺-剪彎”動力分析模型;結(jié)合構(gòu)件試