明清木结构古建筑底层数据标准化研究

现有IFC标准体系中,存在无法表达中国古建筑中特有的形制、结构、属性、艺术等特性的问题.基于UML,构建了斗栱、榫卯等古建筑结构的语义关系图,根据IFC四层架构体系,采用实体扩展和属性集扩展的方式,分层扩展了相应的构件实体、关系实体和属性集等,并以EXPRESS语言对扩展内容进行描述.通过使用IfcOpenShell工具包解析、VScode编辑的模型文件;并以Solibri和Blender为验证平台,检验IFC文件的可视化、可读性和实体与属性集信息的内容.根据验证结果,文中提出的古建筑领域的扩展符合IFC的扩展体系方法,对实现古建筑的结构和艺术等特性在信息模型中的交互和共享具有重要意义,可为古建筑工程勘察、修缮和运维的信息化保护提供强有力的支撑.

基于构件性能的SRC框架结构抗震性能评估研究

针对位移抗震性能设计的不足,现行规范采用构件损伤程度补充评估结构的抗震性能,但对于型钢混凝土(steel reinforced concrete,SRC)框架结构,其在各性能水平下的损伤构件比例未有明确规定。在此背景下,提出了SRC框架的构件性能状态与结构性能水准的对应关系,建立了基于构件性能的SRC框架结构抗震性能评估方法。对不同高度和抗震设防烈度的SRC框架结构模型进行增量动力分析(incremental dynamic analysis,IDA),明确了结构的层间位移角和构件损伤分布,通过统计多条地震波下结构不同极限状态的构件破坏比例,建立用于体型规则SRC框架结构抗震评估的构件性能指标,并进一步采用地震易损性分析对结构抗震性能进行了评估。

基于性能的含可更换耗能梁段高强钢框筒结构抗震性能研究

含可更换耗能梁段的高强钢框筒结构(HSS-SFT-RSL)结合了耗能梁段耗能强、钢框筒抗侧刚度大、高强钢承载力高等优点,是一种抗震性能优良的结构体系.传统设计方法需要进行复杂的迭代和计算才能使结构达到预期性能目标,且无法较为准确地控制结构的塑性发展顺序和破坏模式,本文采用课题组提出的基于性能的塑性设计方法(PBPD)各设计一个30层HSS-SFT-RSL算例和含可更换剪切型耗能梁段的普通钢框筒结构(CS-SFT-RSL)算例,通过静力和动力弹塑性分析对比两算例的抗震性能.结果表明:采用PBPD法设计的两算例具有相似的顶点侧移角和破坏模式,HSS-SFT-RSL算例抗侧刚度略低,但极限承载力更高;在罕遇水准地震下,两算例各层耗能梁段均能参与耗能,层间侧移角沿结构高度分布均匀,避免了薄弱层,残余层间变形较小,有利于耗能梁段更换和结构震后功能的快速恢复.

考虑柱体摇摆效应的殿堂式木结构古建筑非线性地震反应分析

为了准确描述半刚性榫卯连接柱架在地震作用下的动力性能,采用非线性转动弹簧以模拟柱体在地震作用下的摇摆行为,基于柱体、榫卯节点及斗栱的非线性恢复力模型,提出了单层殿堂式木结构地震分析的集中质量简化分析模型,进行了地震作用下的结构动力响应时程分析。通过计算时程曲线与振动台试验结果的对比分析发现,未考虑柱体摇摆的计算值与试验值的误差较大,考虑摇摆效应的整体结构时程曲线计算峰值与柱架的实际位移峰值误差相对较小,且峰值出现的时间基本相同。基于简化模型进一步进行了参数分析,结果表明:竖向荷载可以显著降低殿堂式木结构的地震位移响应;柱高越大,结构的地震位移响应越大;结构的地震位移响应随着榫卯节点转动刚度的增大而显著降低;斗栱数量的增加提高了整体结构的抗侧刚度,从而降低了结构的地震位移响应。研究结果可为木结构古建筑在地震作用下的性能评估提供计算依据。

传统民居木结构柱-插梁透榫插销节点抗震性能试验研究

以传统民居柱-插梁透榫插销榫卯节点为研究对象,结合节点拟静力试验和透榫插销单元剪切试验,分析节点刚度、承载能力、耗能、转动中心的非对称性及其形成机制,讨论不同加载模式对透榫插销单元抗剪性能的影响,进一步推导节点转动刚度和内应力屈服次序.结果表明:透榫插销节点正、负向转动屈服模式分别为插销连接处剪切屈服和榫头上下表面横纹嵌压屈服,对应转动初始刚度和屈服弯矩差异达3倍以上,主要受梁端对柱挤压和木销拉结作用影响;节点屈服后,木销连接处残余变形导致节点拉向转动时拔榫难以复位,梁端与柱表面脱离,仅通过榫头上下表面挤压摩擦产生抵抗弯矩;拉向、拉压循环加载模式下,透榫插销单元失效模式为插销处剪切和弯曲断裂;初始剪切刚度和屈服荷载均高于单调加载,但极限位移仅为单调加载的56%和78%,因插销连接失效对应整体节点极限转角为0.08~0.11 rad.通过分别推导榫头-卯口挤压内力和梁端-柱拉、压内力形成的弯矩,叠加获得节点弯矩-转角关系与试验值吻合良好.

多层古建筑木结构柱脚节点力学性能研究

开展了多层古建筑木结构柱脚节点试验研究,揭示了不同楼层柱脚节点的变形机理并评估了其力学性能,基于受力机理和刚体摆动特性建立了多层古建筑木结构柱脚节点简化力学模型。研究表明:上部楼层柱脚节点以木枋横纹嵌入变形为主且变形显著,底层柱脚节点以木柱顺纹受压变形为主但变形较小。随着竖向荷载的增加,柱脚节点弯矩承载力增加,但上部楼层柱脚节点弯矩-转角滞回曲线捏拢现象明显,强度退化因子在0.8~0.9;底层柱脚节点弯矩-转角滞回环高度重叠,强度退化因子大于0.95。上部楼层柱脚节点耗能能力随竖向荷载的增加而增加,处于较低竖向应力状态的柱脚节点耗能增幅较为显著。简化力学模型与试验曲线吻合良好,可用于多层古建筑木结构性能分析。

带双槽钢腹板螺栓连接可更换耗能梁段的钢框筒子结构抗震性能研究

由于现有的钢框筒结构(SFTS)存在延性和耗能差的问题而导致该结构抗震性能不足,并且该结构还存在震后修复困难的问题,提出了带可更换耗能梁段的钢框筒结构(SFTS-SL),耗能梁段采用双槽钢腹板螺栓连接的形式.在SFTS-SL中,双槽钢截面可更换耗能梁段布置于裙梁的跨中,在地震作用下以通过耗能梁段的剪切变形耗散地震能量.本文设计了SFTS和SFTS-SL结构算例,并从中选取了三个子结构建立了有限元模型,通过非线性数值分析研究其抗震性能.结果显示,与SFTS相比,SFTS-SL在弹性抗侧刚度方面表现相似,但具有更好的延性和耗能能力;SFTS-SL极限承载力略低于SFTS;SFTS-SL能够将塑性变形集中于可更换的耗能梁段,而其余构件基本处于弹性状态,有利于震后结构功能的快速恢复.

木结构古建筑中斗栱与榫卯节点的抗震性能——试验研究

在地震作用下，由于榫、卯之间相互挤压，产生较大的塑性变形，其转动变形刚度退化，凸显出其“柔性”连接特征，使整个结构的抗侧移刚度降低，从而有效地减轻了地震对结构的破坏作用。基于试验滞回曲线，分别建立了相应的节点力矩-转角位移和水平力-位移的恢复力模型，引入了量化其耗能减振能力的“滞回耗能因子”，并建立了相应的理论计算公式，对榫卯节点和斗栱模型的耗能因子进行了计算，结果表明，斗栱结构的滞回耗能因子高于榫卯节点的1-2个数量级，因而从理论上证明了铺作（即斗栱）层应是木结构古建筑的主要减振与隔震作用结构层。

装配式混凝土剪力墙结构接缝连接研究进展

装配式剪力墙结构拼装时存在大量的水平接缝和竖向接缝,由于剪力墙的刚度较大,接缝连接处易存在刚度不足引起的损伤集聚问题,成为影响结构整体性和抗震性能的决定性因素。总结了国内外正在发展的预制装配式剪力墙结构水平和竖向接缝的连接形式,并对各类连接形式的构造特点、抗震性能、应用优势和技术瓶颈进行了系统阐述和分析,在此基础上探讨了装配式剪力墙结构接缝连接技术的发展方向。结果表明:目前湿式连接技术已较为成熟且被广泛应用,但仍存在现场湿作业量大、质量不易检测和控制等问题;干式连接技术工业化程度高,但对施工精度的要求也高,可能产生的螺栓松动、锈蚀以及磨损问题限制了其工程应用;将消能减震技术融入竖向接缝连接,利用超高性能混凝土实现水平接缝连接,并结合可恢复功能防震技术,是未来装配式剪力墙结构高质量发展的新增长点。

西安清真寺木牌楼结构特性与抗震性能分析

研究木结构古建筑的结构特性对保护和维修古建筑遗产具有重大意义。文中以西安清真寺木牌楼为研究对象,用弹簧单元模拟榫卯连接的半刚接特性,对其进行有限元数值分析。通过对榫卯连接的非线性接触分析得到了其各方向刚度值;在竖向荷载作用下结构的实际内力远小于其强度设计值,其安全裕度在60%以上;给出了结构的运动微分方程,结构模态分析得出木牌楼前6阶频率及其振型;通过谱分析与时程分析,结果表明木结构古建筑的偏柔特性,并具有较好的减震耗能特性以及榫卯连接"遇强则强"的智能减震特点。分析及计算结果为木结构古建筑的维修和保护提供了理论依据。

高层建筑结构直接基于位移的抗震设计方法

首先对结构进行自由振动分析,求出各阶振型的弹性自振周期及相应的振型值;然后根据各振型的自振周期,由位移反应谱导出单自由度体系的等效位移,接着由等效原理反推出结构各振型的弹性位移,振型组合后得到结构的位移曲线;再由与性能水平相应的结构层间侧移角限值确定结构各振型目标侧移,对其分别进行分析计算,振型组合求得结构层间剪力,实现了考虑高振型影响的高层建筑结构直接基于位移的抗震设计。通过算例介绍了方法的全过程,并由弹塑性时程分析验证了方法的可行性,为高层建筑结构直接基于位移的抗震设计提供了一个可供参考的思路。

近海大气环境下RC结构钢筋锈蚀程度预测

钢筋锈蚀是影响近海大气环境下RC结构使用寿命的重要因素之一。为研究近海大气环境下混凝土碳化与氯离子侵蚀双重作用对钢筋锈蚀的影响,对沿海地区不同龄期钢筋混凝土结构进行了工程实测,包括混凝土抗压强度、碳化深度、钢筋表面氯离子浓度及锈蚀深度。基于实测结果,拟合得到了混凝土碳化深度与抗压强度间的关系模型,建立了同时考虑混凝土碳化深度与钢筋表面氯离子浓度的钢筋锈蚀深度预测模型。在此基础上,利用Abaqus分析软件对不同龄期、轴压比的RC框架柱进行了损伤塑性分析,得到了锈蚀RC框架柱抗震性能随服役龄期与轴压比的变化规律。

出踩与面宽方向柱头科斗栱抗震性能对比试验及数值分析

为研究加载方向对斗栱抗震性能的影响,文章基于地震作用的随机性和斗栱出踩与面宽方向的构造差异,对2个足尺柱头科斗栱分别沿出踩和面宽方向进行拟静力试验,得到斗栱的破坏模式、承载力、刚度与强度退化、耗能和变形能力。结果表明:斗栱在出踩和面宽方向分别加载时,大斗均相对平板枋滑移,馒头榫挤压剪断。出踩方向受力时单昂与桃尖梁相对滑移,面宽方向受力时整体明显转动。相比面宽方向受力的斗栱,出踩方向受力的斗栱具有更高的承载力、初始刚度和耗能能力,而变形能力较差。文章开展柱头科斗栱的数值分析,模拟结果与试验结果吻合较好,研究出踩和面宽不同加载方向、轴压荷载、木构件之间摩擦系数和木材弹性模量对其抗震性能的影响。结果表明:面宽方向是柱头科斗栱的最不利受力方向,其正负向承载力比出踩方向分别低19.21%和17.03%;轴压荷载和木构件之间摩擦系数越大,斗栱承载力越大,而木材顺纹弹性模量和横纹径向弹性模量对斗栱的初始刚度和承载力影响较小。

形状记忆合金丝加固古建筑木结构直榫节点抗震性能研究

古建筑木结构中的半刚性榫卯节点在地震中往往先于梁柱等构件发生破坏,是加固保护的关键部位。设计了一种新型形状记忆合金(SMA)丝预防性加固装置,对采用该装置的5个直榫节点及1个未加固节点进行了低周反复荷载试验,研究了采用不同根数和不同预拉应变的SMA丝加固节点的破坏形态、弯矩-转角关系、强度退化、刚度退化、耗能性能、自复位能力以及变形能力,并提出了SMA丝加固直榫节点的抗弯承载力计算方法。结果表明:SMA丝加固节点的抗弯承载力均有不同程度的提升,加固节点的最大抗弯承载力为未加固节点的1.49倍;与未加固节点相比,加固节点的强度退化不严重,表明SMA丝可以在节点转角较大时,仍能持续为节点提供抗弯承载力;加固节点最大转动刚度是未加固节点的2.24倍;随着节点转角的增大,未加固节点的耗能能力逐渐减小,而加固节点的耗能能力先增大后减小;在相同的转角下,随着SMA丝根数和预拉应变的增加,节点相对残余变形均减小,自复位能力增强。研究成果可为古建筑木结构榫卯节点的预防性加固保护提供参考。

内置型钢增强钢管约束钢筋混凝土柱节点抗震性能研究

采用钢管对传统RC柱进行约束,形成的钢管约束钢筋混凝土(STRC)柱具有优越的承载能力和耗能性能。但在应用于框架节点设计时,节点区域仍采用普通RC柱节点构造,可能导致节点处没有钢管约束而成为薄弱点,节点处易发生破坏。针对钢管约束钢筋混凝土(STRC)柱节点抗震性能薄弱的现状,提出采用内置型钢短柱进行增强。基于ABAQUS工作平台对具有相同构造形式的节点试件建立有限元模型,将数值计算所得破坏形态、滞回曲线和型钢应力与试验结果进行对比,两者吻合较好,在此基础上探讨内置型钢长度和轴压比对节点抗震性能的影响。结果表明:随着内置型钢长度增加,试件的承载力、极限位移和延性均有不同程度的提升,轴压比对试件受力性能影响较小。通过进一步分析试件的破坏机制、型钢抗弯性能和耗能能力,提出满足节点抗震性能需求的内置型钢长度建议取值。

水滴形大跨钢屋盖结构风洞试验和风振分析

自然风经过大跨结构时,由于结构屋顶形状不规则,通常会引起柔性屋面的振动,因此针对大跨屋面结构抗风设计需要考虑风压分布和风振响应。以陕西省水务集团矿泉水生产车间为工程背景,制作了1∶200的刚性模型,通过刚性模型风洞试验测得该水滴型大跨钢屋盖结构的表面风压,研究了屋盖表面典型测点及整体的风压分布规律。基于风洞试验数据,对结构进行风振时程分析,得到了屋盖表面的风振响应和风振系数。结合刚性模型风洞试验和风振分析,深入研究了水滴形大跨屋盖结构的风压分布规律和风致振动特性,并总结了其共性规律。

基于新型耗能板提升钢框架节点抗震和抗连续倒塌能力

针对全焊节点在地震和连续倒塌条件下有限的抗倒塌能力,该文基于新型耗能板对其进行改进提升。首先通过试验、数值模拟和理论分析相结合的方法揭示了新型耗能板在单调荷载和循环荷载作用下的力学性能;进而通过新型耗能板与节点在地震作用和连续倒塌条件下的协同作用,给出了新型耗能板节点的设计方法。结果表明:新型耗能板在单调和循环荷载作用下的力学性能不同,在单调荷载作用下表现为受拉破坏,在循环荷载作用下表现为剪切破坏;通过算例分析表明,新型耗能板节点的抗震与抗连续倒塌设计方法是合理的;新型耗能板全焊节点在地震和连续倒塌条件下主要经历双塑性区域形成阶段和硬化阶段,其中新型耗能板全焊节点的抗震和抗连续倒塌性能的差异主要体现在硬化阶段;新型耗能板的增加可同时有效提高全焊节点在地震和连续倒塌条件下的承载力、变形和耗能能力。

铅黏弹性阻尼器增强钢管约束钢筋混凝土柱节点抗震性能研究

针对钢管约束钢筋混凝土(steel tubed reinforced concrete,STRC)柱节点抗震性能薄弱的现状,提出采用改良的铅黏弹性阻尼器进行增强。基于ABAQUS工作平台对铅黏弹性阻尼器试件建立有限元模型,将数值计算所得滞回和骨架曲线、耗能性能及疲劳性能与试验结果进行对比,两者吻合较好。在此基础上探讨了铅芯直径、铅芯布置形式及复合黏弹性体厚度比值对铅黏弹性阻尼器力学性能的影响。结果表明:相较于扇形铅黏弹性阻尼器,改良后的四边形铅黏弹性阻尼器表现出更好的力学性能;随着铅芯直径的增大,阻尼器的耗能能力指标均得到大幅提高;建议铅芯个数取2个,铅芯面积与复合黏弹性层面积比值取6%~8%,复合黏弹性体厚度比值约为0.67。建立不同布置方案的铅黏弹性阻尼器增强STRC柱节点试件模型,对其破坏形态、滞回特性和箍筋应力进行对比分析,给出合理的布置方案,为实际工程提供参考。

基于神经网络的跨越地裂缝框架结构地震损伤及预测研究

为开展特殊地质环境下结构的损伤分析,以一跨越西安f4地裂缝的五层框架结构为研究对象,基于振动台试验和ABAQUS有限元分析结果,进行了BP神经网络模型的模型训练,选取变形和能量组合形式的双参数损伤模型计算结构损伤指标,采用加权系数法,开展了构件、楼层、结构三个层面的损伤预测分析,给出了不同地震作用下结构损伤程度评估。结果表明:地裂缝场地结构表现出明显上下盘效应,结构首层为薄弱层。BP神经网络损伤预测值与有限元计算值在不同工况下均较为一致,其对于构件、层间、整体结构损伤指数预测最大误差分别为8.86%、5.66%、7.57%,该研究成果为跨越地裂缝结构的性能评估提供一种准确且高效的研究方法。

木材老化对古建筑木梁抗弯性能的影响分析

为研究木材老化对古建筑木梁抗弯性能的影响,分析了木材的老化机理,采用等效截面法并结合国内木梁老化深度经验公式,提出了老化木梁抗弯承载力退化模型,并对某古建筑的木梁进行了承载力退化评估。对未老化与老化木梁进行了单调加载数值模拟,并通过试验验证了模型的合理性;在此基础上,进一步分析了老化均匀度与老化深度对木梁抗弯性能的影响。结合《木结构设计标准》(GB 50005—2017)中受弯构件的承载力计算公式,提出了考虑老化影响的木梁抗弯承载力折减系数计算公式。结果表明:老化对木梁抗弯承载力的影响与老化均匀度呈线性相关,与老化深度呈一元二次多项式关系。老化深度越深且老化均匀度越大,木梁承载力越低。