中国木结构古建筑结构性能与加固保护研究

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中国的古建筑以木结构为主,其主要结构特征包括梁、枋、柱等木构件通过榫卯节点连接形成程中木构架以及以斗棋支撑的大屋顶结构等。由于自身材料特性和外部灾害干扰等原因,现存古建筑大多存在各种病害,主要包括梁柱等材料性能退化导致承载能力降低,榫卯节点拔样以及斗棋歪闪等。这些病害削弱了各构件的承载能力,对结构整体稳定带来不利影响。本文采取理论与试验相结合的方法,对拔榫节点和歪闪斗棋的力学特性,木梁的隐蔽式加固方法和结构整体倒塌机理等进行了系统的理论分析和试验研究,主要研究工作和成果包括以下几方面。  (1)木结构古建筑常见劣化残损与震害特征研究。在文献和现场调研的基础上,结合对中国木结构古建筑结构特点与材料特性的分析,归纳了梁、柱、斗棋和榫卯节点等古建筑结构构件的受力特征和残损特点。根据对常见病害发生几率的统计,提出大木构件材质劣化,榫卯节点连接失效以及斗棋歪闪是木结构古建筑的常见病害。木材的持续荷载效应、干缩、腐朽以及木材横纹压缩强度低等是导致病害的主要原因。  对近年来历次地震中木结构古建筑的典型震害特征及震害机理进行了分析,指出尽管木结构古建筑在地震作用下具有良好的抗倒塌性能,但由于结构变形较大,容易造成附属构件的破坏。对榫卯节点的力学模型和传力机理进行的仿真分析结果表明榫卯节点“半刚性”连接的特性是影响结构抗震性能的关键因素。  (2)节点拔榫古建筑木构架竖向承载性能试验研究。参考文献清代榫卯厅堂式古建筑的几何尺寸与结构构造,设计制作了几何相似比为1∶2构架模型,分别对采用透榫和半榫连接的拔榫节点构架竖向承载性能开展了试验研究。试验结果表明,在竖向荷载作用下,构架变形以榫头在卯口内的压缩变形为主,构架承载力远远低于木梁梁身的抗弯承载力,破坏特征表现为为榫头破坏,而非梁身弯曲破坏,破坏形态主要有局部压缩、局部横向断裂和榫头纵向劈裂三种。  两种节点构架的承载力均随拔榫量的增加而降低。同样拔榫量时,半榫节点构架承载力下降幅度大于透榫节点。在极限荷载时,半榫节点构架梁跨中挠度和节点约束刚度低于透榫节点。  (3)节点拔榫古建筑木构架侧向承载性能试验研究。分别针对采用透榫节点连接、半榫节点连接和燕尾榫节点连接三种连接形式的木构架模型,进行了低周反复荷载试验。获取了构架的滞回曲线特征和骨架曲线,并分析了构架刚度退化、变形能力(延性)及节点耗能能力。结果表明:未拔榫构架滞回曲线以Z形为主,表现出捏拢特性;随着节点转角增大,其骨架曲线趋于平缓,体现了良好延性;节点承载力较低,且耗能能力及刚度随着转角增大而降低。节点耗能能力大小顺序为燕尾榫>透榫>半榫。  拔榫以后,各构架滞回曲线表现出显著的滑移特征,曲线捏拢明显。不同榫卯节点构架的侧移刚度随着拔榫量的增加而下降,延性则随着拔榫量的增加而增加。对于透榫和半榫节点,构架耗能能力随拔榫程度增大而降低,对燕尾榫节点影响不明显。  (4)歪闪古建筑斗棋承载性能研究。通过歪闪斗棋的竖向承载性能试验,研究了歪闪斗棋的承载能力和刚度变化规律,采用数值分析方法研究了斗棋在竖向荷载作用下的各构件的受力特征,提出了斗棋允许承载力的计算方法。试验结果表明:歪闪会使斗棋的允许承载力降低25%-30%左右。竖向刚度随歪闪程度的提高而降低。数值分析结果表明:在竖向荷载作用下,斗棋结构的变形主要集中于下层构件,其破坏源于下层构件的压缩破坏。  提出以斗棋薄弱部件承载力作为理论承载力的计算方法。综合考虑斗棋刚度及变形的因素,提出斗棋的允许承载力的概念,并建立了歪闪斗棋允许承载力降低系数。  (5)古建筑木梁板材嵌入式隐蔽加固研究。  提出了一种采用CFRP板或者钢板嵌入梁身的隐蔽式加固方法。为研究加固后木梁的抗弯性能,对13根加固梁进行了抗弯性能试验。结果表明:采用嵌入式加固,能够提高木梁抗弯承载力。抗弯承载力提高幅度与加固材料配置率不成比例。板材嵌入式加固木梁的破坏形态表现为弯曲破坏、横向贯通撕裂破坏、木材压区皱缩破坏三种形式。在梁身配置环箍纤维布可以提高木梁延性。木梁初始缺陷对梁的抗弯性能和破坏形态有显著影响。  (6)木结构古建筑的倒塌机理研究。通过对结构构造的研究,推理了木结构古建筑在地震作用下的几种倒塌形式及其机理。当结构底部的水平剪力超过础石所能提供的最大静摩擦力时,础石不断滑移的累积残余位移超过一定的数值,造成柱从础石上滑落引起结构落架倒塌;殿堂式建筑的铺作层平置与柱头或普拍枋间水平抗剪承载力有限,不足以抵抗在地震作用下所产生的水平剪力作用,而造成上部屋盖的落架倒塌;在地震反复作用下,部分榫卯节点失效,丧失传递荷载能力,使结构形成机动体系而倒塌;佛塔比较高大的建筑物,水平地震作用产生的倾覆力矩超过其抗倾覆力矩而倒塌。
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