水平作用下古建筑木柱受力性能影响因素分析

由于柱脚的平摆浮搁布置,古建筑木柱在水平作用下的受力性能对整体结构的抗震性能具有重要影响.为探究水平作用下古建筑木柱受力性能的影响因素,基于木柱在水平作用下的力学模型,从静力和动力两个方面,分别讨论弹性模量、高径比、轴压比、圆频率和加速度幅值等因素对木柱受力性能的影响.结果表明:在静态下,古建筑木柱的受力行为由柱脚节点的受力性能体现.更大的弹性模量、更小的高径比和更高的轴压比能够增加柱脚节点的刚度和恢复力矩,使木柱保持稳定.在动态下,木柱的动力响应表现为滑移和倾斜.相比于水平作用的振幅,频率对木柱的动力响应影响更大.柱脚的滑移量有限,木结构的倒塌更大来自于木柱的倾斜角度过大.该研究成果可为古建筑木柱的抗震加固提供理论支撑.

古建筑木结构透榫节点力学模型研究

为研究古建筑木结构透榫节点的M-θ力学模型,在分析透榫节点构造特征与受力机理的基础上,建立其数值模型,用透榫节点的试验数据验证了该数值模型的正确性,并分析了节点缝隙、木材横纹弹性模量和大榫头长度对透榫节点受弯承载力的影响。根据受力分析结果,建立以弹性点、屈服点与极限点为特征点的三折线多参数M-θ力学模型,其结果与多数的试验结果基本吻合,并将该力学模型应用于木构架的受力分析。研究结果表明:透榫节点的滞回耗能能力强,节点的变形主要集中在榫头处。当榫头与卯口之间的缝隙增大时,节点的受弯承载力降低。随木材横纹弹性模量的提高和大榫头长度的增加,节点的受弯承载力有一定提高。文章建立的M-θ力学模型能较好反映透榫节点的受力过程,适用于木构架的受力分析,其荷载-位移骨架曲线与试验结果基本吻合。研究成果可为古建筑木结构的维修与保护提供参考。

新型圈梁构造柱约束墙体抗震性能研究

为解决传统圈梁构造柱砌体结构施工复杂、施工质量差等缺点,提出一种新型圈梁构造柱施工工艺。通过低周往复试验对粘土砖墙、现浇钢筋混凝土约束砖墙、新型圈梁构造柱约束砖墙足尺试件展开研究,获得三类墙体的滞回曲线、骨架曲线等一系列抗震性能评价参数,对比分析各类墙体的抗震性能。同时,对三类墙体进行有限元分析,分析各类墙体的承载能力、荷载位移曲线等力学性参数的变化规律。结果表明:新型圈梁构造柱约束墙体的承载力高、延性好,累计耗能能力强,能够较好地吸收和耗散地震能量,从而保持墙体开裂后有足够的整体稳定性,满足工程抗震设计要求,适合在乡镇地区推广使用。

山地古建筑木结构抗震性能研究评述

山地古建筑木结构是中国古建筑的重要组成部分,因其柱底不等高约束而与平地古建筑木结构存在建筑布局、结构特点和抗震性能等方面的差异。近年的古建筑震害调查表明:高烈度区山地古建筑木结构的破坏程度一般重于平地古建筑木结构。为更好地保护山地古建筑木结构,阐述了山地古建筑木结构的基本概念,总结了山地古建筑木结构的建筑特点、结构形式和结构特点,根据多次古建筑震害调查结果,分析了山地古建筑木结构的基础破坏、柱脚滑移、榫卯破坏、柱架扭转、屋面破坏和构架垮塌等典型震害特征及其震害原因,并指出其与平地古建筑震害的异同,从动力特性、分析模型、抗震机理、破坏模式和加固方法等方面阐明了山地古建筑木结构抗震研究的关键科学问题,为后续抗震性能研究指明思路和方向。

泸县6.0级地震文化遗产震害调查与分析

2021年9月16日,四川省泸县发生6.0级地震,对当地的文化遗产造成了不同程度的损坏。为掌握文化遗产在此次地震中的破坏情况,对古建筑、古桥、渡槽、摩崖造像、古遗址以及可移动文物进行震害调查,分析破坏原因,提出不同文化遗产的震害等级,并统计其在此次地震中破坏占比。研究结果表明:古建筑中木结构的震害较轻,砖木结构和石木结构的损伤较为严重,表现为墙体开裂、倾斜、倒塌和屋面损毁等破坏;古桥的桥面板产生裂缝和起壳,桥头堡基石发生移位;摩崖造像发生开裂、石像脱落,部分岩石发生坠落;古遗址的原有缝隙增大,石砌墙歪闪或倾斜;可移动文物与陈列台连接的金属卡件在地震下崩落。根据震害调查结果,将文化遗产的震害划分为4个等级,并对古建筑的维修与加固、摩崖造像的一体化监测、古桥的维护与应急抢险、可移动文物的隔震保护提出几点建议,为我国文化遗产的抗震保护提供参考。

钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体的抗震性能

以砌体结构圈梁构造柱为主要变化因素,对3种类型的足尺模型墙体试件进行拟静力试验,通过墙体的破坏形态、滞回曲线等一系列试验指标对方钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体的抗震性能进行研究。结果表明:3片墙体均发生弯剪型破坏,钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体由于在反复推拉过程中构造柱的钢管与混凝土之间黏结力丧失而产生相对滑移破坏。钢管混凝土圈梁构造柱约束墙体的滞回曲线具有明显的反"S"形特征,在极限承载力、延性和耗能能力等方面均优于无约束墙体以及钢筋混凝土圈梁构造柱约束墙体。

装配整体式圈梁构造柱约束砖墙拟静力试验研究

农房在历次地震中破坏最严重,造成了巨大财产损失和大量人员伤亡。为此,本文提出了一种适用于砌体结构农房的装配整体式钢筋混凝土圈梁构造建造方法,并对其约束砖墙展开抗震性能研究。首先,利用芯柱建造方法按照构造柱的构造要求提出装配整体式建造技术,同时结合圈梁受力特点和农村实际施工技术改进了圈梁的结构形式和建造方法,从而构成装配整体式圈梁构造柱约束体系。然后,以约束条件和竖向压力为变化因素对6片砖墙开展拟静力试验研究,观察低周往复水平荷载作用下砖墙的破坏模式,分析装配整体式圈梁构造柱对砖墙抗剪承载能力和滞回耗能性能的改善情况。最后,给出考虑竖向压力作用的圈梁构造柱约束砖墙的抗剪承载力计算公式,以及讨论圈梁构造柱对砖墙的约束效应。结果表明:建议装配整体式圈梁构造柱能有效约束砖墙,延缓裂缝开展和提高砖墙抗震性能,避免砖墙过早发生破坏。

古建筑木结构榫卯节点力学性能研究进展

榫卯节点是古建筑木结构区别于其他结构的重要构造措施之一,具有典型的半刚性连接特性,其力学性能对古建筑木结构的抗震性能影响较大。根据在结构中连接方式的不同,总结了水平与竖向构件连接、竖向构件连接和水平构件连接榫卯节点的特点和用途。从受力机理、力学模型和数值分析3个方面,对榫卯节点力学性能的研究现状进行了梳理。在受力机理方面,归纳了不同类型榫卯节点的受力特点与破坏特征,分析了节点构造尺寸、节点损伤及构造措施等因素对节点力学性能的影响。在力学模型方面,阐述了基于理论推导、模型试验和数值模拟力学模型的建立过程,并指出了不同方法的局限性。在数值分析方面,以木材本构关系为基础,介绍了榫卯节点的精细化数值分析和在整体结构中的简化分析。通过对榫卯节点力学性能的研究成果的回顾,发现节点类型不完善、影响因素不全面、力学模型复杂和模拟精度不足等问题,为榫卯节点力学性能的进一步研究指出方向,也为准确反映节点在古建筑木结构中的力学性能提供支撑。

BFRP布加固圆截面木梁受弯性能试验研究

为研究玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)布加固圆截面木梁的受弯性能,对未经加工处理的足尺木梁进行三分点加载试验。试件分为4组总计12根,长度均为3 300 mm。其中1组为未加固试件,另外3组为采用不同方式粘贴BFRP布的加固试件,分别为底部粘贴、底部与侧面环向粘贴、底部与侧面螺旋缠绕粘贴。对各组试件的荷载-跨中位移、荷载-跨中截面应变和跨中截面应变等曲线进行了对比分析。试验结果表明:与未加固试件相比,底部粘贴、底部与侧面环向粘贴、底部与侧面螺旋缠绕粘贴BFRP布的试件极限荷载分别提高了16.30%、24.34%和30.54%。BFRP布加固试件在破坏过程中,木材的塑性变形明显,其抗压强度得到充分发挥,截面应变符合平截面假定。采用ANSYS有限元分析软件模拟得到试件的荷载-位移曲线,与试验结果吻合较好。有限元分析结果表明,试件的受弯承载力随着BFRP布侧面环向粘贴的间距减小而增大。最后,基于BFRP布加固圆截面木梁的三阶段破坏特征,提出其受弯承载力计算公式,计算结果与试验结果的差值小于10%,可为圆截面木梁加固设计提供参考。

基于摇摆柱的古建筑木结构柱脚节点力学模型研究

在古建筑木结构中,木柱通常直接平摆浮搁于础石之上,形成只有受压而无受拉能力的柱脚节点。在地震作用下,木柱会发生摇摆,柱脚为半刚性节点。为研究地震作用下古建筑木结构柱脚节点的摇摆机理,对柱脚节点的受压状态进行分析,并对木柱的摇摆过程进行分类,给出了不同摇摆过程的判定条件,建立了柱脚节点的弯矩-转角(M-θ)力学模型;通过与柱脚节点的弯矩-转角曲线试验结果进行对比,验证了该力学模型的正确性;将该M-θ力学模型应用于古建筑木结构的地震分析中,分别建立了柱脚半刚性连接和铰接的数值模型,并与振动台试验结果进行对比。研究结果表明:木柱的摇摆过程可分为全截面弹性摇摆、小截面弹塑性摇摆、大截面弹塑性摇摆以及全截面弹塑性摇摆等4类;采用M-θ力学模型得到的柱脚节点弯矩-转角曲线计算结果与拟静力试验结果的差异在10%以内;与铰接的柱脚节点相比,采用柱脚半刚性连接计算的古建筑木结构在地震作用下的动力响应更接近振动台试验结果,结构的加速度峰值、位移峰值与振动台试验结果的差异均在20%以内。

考虑墙体影响的青城山灵官殿动力特性及地震响应分析

中国西南地区的山地古建筑众多,因其具有柱底不等高约束、抗侧刚度不均匀等结构特征,与平地上古建筑的抗震性能不同。为研究山地古建筑木结构的动力特性和地震响应规律,以青城山灵官殿为研究对象,对结构进行原位动力特性测试,获得其模态参数,并建立无墙体和有墙体数值模型,将有墙体模型的自振频率模拟值与实测值进行对比以验证数值模型的正确性。然后,分别对两种数值模型输入不同幅值的7组地震动,并将两种数值模型的动力响应进行对比,分析山地古建筑木结构的抗震性能。结果表明:灵官殿前二阶频率在2.90~6.88 Hz之间;墙体对灵官殿的抗震刚度有较大贡献,使层间位移角和楼层扭转角分别减小11%和16%,而不考虑墙体影响时得到的地震作用结果偏于不安全;灵官殿的楼层扭转角在第一层至第二层发生突变,层间扭转角最大值出现在第二层,且第一层的楼层剪力值最大。因此,灵官殿上接地层为其薄弱层,在抗震加固中应重点关注。