黔东南清水江流域穿斗构架演进——兼论建构视野下侗族与苗族穿斗构架之辨

清水江是沅江上游的主要支流,清水江流域也是苗族、侗族迁徙路线交汇与文化融合的地区。文章基于文献研究和实地调研,梳理穿斗构架演化历程,指出清水江下游民居构架具有穿斗构架“共同祖型”的“满枋满瓜”特征,是“满枋满瓜”与“减枋跑马瓜”构架形式的过渡区域;辨析清水江流域苗族、侗族民居建构逻辑,并深入分析穿斗构架的融合形式,指出清水江流域穿斗架的演进脉络体现出地方性民居建筑的传承与创新,为研究多民族传统民居演进轨迹和交融途径提供理论基础。

黏弹性阻尼器加固穿斗式平面外木排架的抗震性能

为研究穿斗式木结构的抗震性能及其加固方法,选取杉木和松木两种木材,设计并制作四榀穿斗式木结构平面外框架,采用黏弹性阻尼器加固试件,对加固和未加固的木框架分别进行低周往复荷载试验,研究结构的抗震性能及阻尼器的加固效果.研究结果表明:加固后木排架滞回曲线的滑移和捏缩现象大幅减轻,滞回环面积增大,等效黏滞阻尼比增加,耗能能力增强,杉木和松木排架耗能能力分别提高83.31%和286.34%;加固后试件的骨架曲线斜率和极限承载力均得到大幅提升,斜率大致随加载幅值增大而增大,极限承载力杉木排架最大提升218.32%,松木排架最大提升458.89%;加固后木结构框架的刚度储备增高,初始刚度杉木试件提升46.9%,松木试件提升264.1%;杉木试件在安装阻尼器后节点的残余拔榫量减少15.06 mm,松木试件减少31.96 mm.

裂缝对长木柱失稳承载力影响的数值模拟

由于木材的各向异性性能,干缩将使木材产生顺纹裂缝,这种开裂现象在古建筑木结构中十分普遍。因此,在评定古木结构的承载力时无法回避裂缝的存在。通过数值模拟,研究了纵向裂缝对长木柱力学性能的影响。研究表明,裂缝的存在并不一定导致长木柱力学性能的下降;裂缝开展到一临界值时,长木柱力学性能开始下降,此时需采取相应的加固措施进行维护。

宋式古建筑木结构有限元模拟及承载特征

为提出宋式古建筑木结构的有限元模拟方法并揭示其承载特征,分析了与础石接触的柱脚和与普拍枋接触的柱头的转动特性,并给出了柱脚和柱头恢复力矩的显示表达式.研究了考虑普拍枋影响的柱头燕尾榫节点恢复力矩解析模型.并建立了宋式古建筑木结构弹簧-梁单元有限元模型,研究了此类结构的承载特征.结果表明:建立的模型可以较好地表征木结构的承载能力,当木结构向右侧变形时,竖向荷载由普拍枋左侧传递给柱头,由普拍枋右侧传递给柱头和阑额,普拍枋与柱头之间的压力随加载位移的增大而减小,普拍枋与阑额之间的压力随加载位移的增大而增大.木柱和柱头燕尾榫节点提供的承载能力是三种竖向荷载作用下木结构侧向承载能力的主要组成部分.三种竖向荷载工况下,木柱提供的承载能力均大于60%,木柱的承载能力贡献比随竖向荷载的增大而增大.

穿斗式木构建筑病害残损定位记录方法研究——以杭州西湖世界文化遗产传统木构建筑为例

装饰要素较少,同类型构件之间辨识度不高是穿斗式木构架基本特点之一。日常巡检是遗产监测中最基础的和最前置的环节之一,很大程度上直接指导后续的遗产保护相关工作。然而,目前传统木构建筑日常巡检工作大都关注于各种病害的类型和发生程度,对病害残损具体发生位置的记录则相对欠缺。上述情况使得在只依赖病害图片的情况下,易混淆穿斗式木构架中病害及残损的具体发生位置,进而影响后续保护工作的有效性。基于此,以杭州西湖世界文化遗产中的传统木构建筑为例,结合穿斗式木构架的特点和传统木构建筑日常巡检工作中的实际需求,提出针对穿斗式木构建筑中病害及残损的定位记录方法。

马尾松木材空洞开裂残损的雷达检测成像初探

本研究以木结构古建筑常用的马尾松木材为研究对象,采取人工模拟的方法在马尾松木段端部制作中心空洞及外缘开裂的残损,通过开展残损木材的雷达探测及成像影响因素研究,给出不同残损在雷达检测下的表现形态,实现木材内部空洞和外缘开裂残损的快速识别及表征。研究结果表明:利用雷达无损检测技术可以实现木材内部空洞和外缘开裂残损的快速检出,而对残损大小的评估,雷达检测面积与实际残损面积存在偏差;当雷达探测到木材内部空洞时,其交界面会出现强烈的黑-白-黑形态图像,对应的反射波形为谷-峰-谷;当雷达探测到木材外缘开裂等凹陷特征时,其图像上会出现不同于正常背景的纵向干扰条纹;木材外缘开裂并不严重影响内部空洞残损的检出,木材表面存在贴合紧密的树皮或保护性地仗对内部残损的识别也无明显影响;木材含水率对雷达检测结果影响较为显著,在其他条件一定时,木材含水率越高,其雷达检测残损面积越小;雷达检测结果受含水率等因素影响,其残损的检测边界可能会产生一定的偏移,因此,在实际检测中应根据雷达检测图像进行深度方向的延伸分析。通过本研究可知:雷达无损检测技术可以实现木材空洞和开裂残损的快速检出,但对于残损的定量评估有待于进一步研究。

马尾松木材内部空洞的雷达检测与定量评估

【目的】研究快速有效的古建筑木柱内部空洞残损评测方法,科学确定木柱内部空洞的存在位置及大小。【方法】以古建筑木构件常用的马尾松木材为研究对象,采取人工模拟方法在木段端部制作不同大小、不同位置和不同形状的空洞残损,利用雷达无损检测技术探测空洞残损,通过分析木材内部残损在雷达检测方法下的表现形态,实现木材内部空洞的快速识别和表征。【结果】雷达无损检测技术可以对木材内部残损进行快速判别,雷达波在木材中探测到空洞时,其交界面会产生强烈反射,对应反射波形为谷-峰-谷,同时检测图像中出现黑-白-黑的特征形态;根据雷达检测图像可以对木材内部残损面积进行大致评估,但依据雷达检测结果生成的残损面积与实际残损面积存在一定偏差;雷达检测方法对木材内部残损形状的预估难度较大,若不经过其他处理难以准确识别三角形、四边形、圆形等各种形状的空洞残损;边缘位置空洞残损雷达检测图像与中心位置空洞残损雷达检测图像明显不同,中心位置空洞残损其交界面在雷达检测图像中波动较为平缓,边缘位置空洞残损其交界面在雷达检测图像中波动较大,利用雷达检测方法能正确区分边缘或中心空洞残损。【结论】雷达无损检测技术是一种基于雷达回波探测目标物的检测方法,该技术应用于木材内部残损评估,可以实现内部空洞残损的快速检出,并可预估残损的存在位置及大小。

唐代殿堂型木构架柱架摇摆抗侧机理研究

唐代殿堂型木结构建筑是我国古建筑遗存中弥足珍贵的文物,其建造年代久远,数量稀少,结构形制特殊且极富时代特征,具有极其重要的历史文化与科学研究价值。其木构架由三个水平结构层柱网层、铺作层和屋架层自下而上通过榫卯连接叠垒而成。为深入研究此类型木构架的抗侧性能,建立了某唐代殿堂型木结构一榀构架的精细化有限元足尺实体模型,并进行了水平低周反复加载模拟,系统研究了木构架的变形特点、破坏形态、滞回特性、抗侧刚度及耗能特征。结果表明在水平往复荷载作用下,殿堂型木构架的主要变形特征为柱脚无滑移偏转抬升,柱架摇摆并带动整体结构协同抬升摆动,铺作层如同刚体抬升平移,剪切变形不明显;主要破坏形式为栌斗全截面压溃和柱脚边缘压屈;构架滞回曲线呈“S”形,具有显著捏拢效应,两端较为饱满。木构架初始抗侧刚度较大,屈服后刚度退化显著,主要通过柱脚节点和柱头-栌斗节点的塑性变形、构件接触面的摩擦滑移、结构整体转动抬升摆动耗能,具有较好的抗震性能。

软木复合结构建筑柱体耐火性能研究

为了提升现代木结构建筑的柱体耐火性能,采用耐火性优异的AMORIM葡萄牙软木板,分别对工程中常用的6种不同木柱和钢柱结构件进行耐火性能测试。结果表明:葡萄牙软木板越厚,其与木柱的复合结构件的耐火极限时间则越长;在同厚度的葡萄牙软木板保护下,软木板与钢柱结合的复合结构件的防火作用优于与木柱结合的复合结构件;有葡萄牙软木板保护的防火复合结构柱件在火灾中不会产生高温滴落物,可防止其对人身财产造成危害。

CT扫描攀爬机器人模糊PID力控制算法

【目的】提出一种CT扫描攀爬机器人水平伸缩关节夹持力模糊PID控制算法,以实现其夹持力的精确控制,增强对古建筑立木柱的安全保护。【方法】首先,使用巴特沃斯二阶低通滤波器对压力传感器输出值进行滤波,减弱噪声等干扰信号对测量值的影响;然后,以力误差和力误差变化率为系统输入,选择三角函数为隶属度函数进行模糊化处理,根据PID整理规则分别建立PID参数的模糊推理规则,利用系数加权平均法对系统输出进行反模糊化处理;最后,对比分析模糊PID控制算法和耦合PD控制算法的力控制效果。【结果】接触过程中,压力传感器信号经滤波处理后,波动明显减小。夹紧过程中,相比耦合PD控制算法,模糊PID控制算法的夹持力控制精度最大可提高51.8%,相对关节力误差最高可提高99.8%,力调节时间也不同程度优化,且模糊PID控制算法还可消除夹持力调节过程中的超调现象。【结论】巴特沃斯二阶低通滤波可有效滤除压力传感器输出值中噪声等信号的干扰,提高接触检测的可靠性;相比耦合PD控制算法,模糊PID控制算法具有更好的夹持力控制效果,不仅可以提高CT扫描攀爬机器人工作的可靠性,而且能够进一步保证古建筑木立柱的安全。

预应力钢带加固裂损木柱轴心受压性能试验研究

在对现有裂损木柱加固技术分析研究的基础上,提出预应力钢带加固裂损木柱技术.对6个预应力钢带加固木柱和1个未加固木柱的轴心受压性能进行了试验研究,研究钢带间距和层数对试件受力性能的影响,对各试件的破坏形态、承载能力、刚度和延性等进行分析.试验结果表明:预应力钢带加固后,木柱的承载力有明显提高,提高幅度在10%~30%之间,延性性能也得到提高.最后,对预应力钢带加固木柱与FRP加固木柱的试验结果进行了对比分析.

暗销在藏式古建筑木结构连接中的作用

与传统汉式古建筑木结构相比,藏式古建筑木结构具有连接简单、传力直接、构造简洁等特点,其木结构梁柱节点连接很少采用复杂榫卯和斗拱,主要通过构件的垂直叠压实现节点连接功能,并辅以暗销来定位.文中采用非线性有限元方法,通过建立局部构件精细化模型,研究了暗销在节点连接中的力学作用,得到了描述暗销力学性质的弹簧模型.研究结果表明:暗销使滑移初始刚度略有提高,对构件相对滑移承载极限提高明显.

典型藏式古建木构梁柱连接传力机理分析

为研究典型藏式古建木构梁柱连接的力学性能,采用非线性有限元方法,建立梁柱连接的实体模型,分析了在楼面竖向荷载作用下,组成梁柱节点的各组件的受力状态,从而获得竖向荷载下节点的传力机理及破坏模式.研究结果表明:在楼面竖向荷载作用下,梁、弓木为受弯构件,垫木为横纹承压构件,斗、柱为顺纹承压构件,暗销主要承受顺纹压力、横向剪切力,组件之间通过接触面的摩擦力、挤压力及暗销剪切力传递荷载,以协同工作.节点的破坏极限采用应力准则确定,当梁受拉侧屈服时认为节点发生破坏.

传统民居穿斗式木构架抗震性能振动台试验研究

为研究西南地区木结构传统民居的抗震性能,对一个位于7度抗震设防烈度地区的两层、两跨穿斗式木构架进行模拟地震振动台试验。试验中选用3条天然波和1条人工波作为输入地震波,对模型结构的动力特性、加速度响应、位移响应、地震剪力及耗能能力进行分析。研究结果表明:随着输入加速度峰值的增加,模型结构自振频率减小,阻尼比增大。在加速度峰值为0.22g的地震作用后,模型结构X向和Y向的一阶自振频率分别降低了10.69%和19.97%,相应阻尼比分别增大到16.06%和17.47%。结构各层加速度放大系数随着加速度峰值的增加而降低,檐柱顶处的加速度放大系数在整个结构中最小,说明檐柱顶处榫卯节点在振动过程中减震作用明显。在加速度峰值为0.22g的地震作用下,结构最大层间位移角为1/53,此时未见模型有显著破坏,表明模型木构架具有良好的整体变形能力和抗倒塌能力。整个试验过程中,一层柱架耗能作用最大,柱脚耗能作用最小。

有无填充墙板的穿斗式木结构房屋振动台试验及对比分析

通过对不设置填充墙板与设置填充墙板的穿斗式木结构房屋进行模拟地震振动台试验,研究了穿斗式木结构的抗震性能,并对比分析了两模型结构的动力特性,及其在不同峰值加速度地震作用下的加速度放大系数、位移及最大层间位移角等动力响应。研究结果表明:两模型X向加速度动力放大系数在0.63~1.2,Y向加速度动力放大系数在0.51~0.97,说明模型榫卯挤压摩擦的耗能减震效果明显。不设置填充墙板的模型结构自振频率低、位移响应较大,扭转效应明显;设置填充墙板的模型抗侧刚度明显增大,结构自振频率增大,同时在地震激励下相对位移和层间位移角减小。两模型主体结构在大震作用下均无明显损坏,且设置填充墙板的木结构房屋具有更大的承载力和抗倒塌能力。

故宫古建木柱典型残损问题分析及建议

为保护故宫古建筑,采取现场勘查与归纳分析相结合的方法,以故宫古建大木结构的柱子为对象,研究了它们的典型残损问题,并讨论了加固方法。基于这些木柱典型构造和受力特点,归纳了其不同类型的残损问题,就这些问题产生的原因进行了讨论,并相应提出加固的方案或建议。研究得出以下结论:故宫古建木柱典型残损问题有糟朽、开裂、柱顶石风化、加固件松动等,产生这些问题的主要原因与木柱构造特点、施工工艺、构件材料及木柱受力特征等原因相关,采取传统和现代的方法均可实现木柱的有效加固。

FRP加固木柱轴心受压性能试验研究

鉴于FRP加固木柱的抗压性能研究很少,本文共设计了4组横向加固的木柱,加固层包括CFRP和GFRP两种类型,以研究横向加固层层数和弹性模量对木柱受压性能的影响。试验结果表明,试件的极限荷载随加固层层数增加而增大,CFRP加固试件的极限荷载高于GFRP加固试件的。

一柱式藏式古建筑木构架结构静力分析

为研究藏式古建筑中较为普遍的木梁柱构架的力学性能,利用非线性有限元方法,建立梁柱构架的实体模型.在上层集中荷载和楼面均布荷载作用下,利用工具软件得到构架应力、应变及剪力图形.分析结果表明:在给定荷载作用下,梁端约束部位的应力最大,柱底的反方向应力最大;梁和弓木均发生受弯变形,且方向相反;组件之间通过接触面挤压、摩擦传递荷载.结果发现垫木作为横纹承压构件最先破坏,同时这种连接方式极易发生侧移和扭转.

应县木塔倾斜及扭转分析

应县木塔是辽代建筑的典型代表,距今已约960年.为了解应县木塔当前的变形状况,为其修缮和保护提供科学依据,对应县木塔进行了原位变形测试.进一步分析了木塔明层及平坐层的整体倾斜和扭转,其中对木塔的二层、三层进行重点分析.实测及分析结果表明:应县木塔的二层明层及平坐层内外槽变形不协调,外槽变形较严重;木塔二层明层外槽变形较大的柱子主要分布在西南、正南和东南方向,二层明层整体向东北方向倾斜.平坐层外槽变形较大的柱子主要分布在正西,西北和东北方向;三层明层与二层明层变形趋势基本一致,三层平坐层变形大于相应的二层,变形趋势和二层相反;二层、三层明层方柱与圆柱连接不紧密,两者变形不统一,方柱倾斜量普遍大于圆柱;相对于二层、三层,四层五层变形较小,整体向正北和东北方向倾斜;二层、三层内槽扭转方向不一致,且两层内槽扭转趋势相反,而外槽扭转趋势基本一致,方向均沿逆时针.

古建筑木结构的承载及抗震机理

从古建筑木结构的材料劣化损伤、材性衰退、柱脚节点、榫卯节点缝隙与性能、斗栱性能与构架性能等几个方面探讨古建筑木结构的承载机理。从宏观和微观尺度分析古建木构材料性能,建立构件层次的古木材性时变模型;提出木柱摇摆抬升的力学模型及精细化分析方法;建立榫卯节点缝隙概率分布模型,构建榫卯节点模型及分析方法;分析单朵斗栱力学性能及斗栱层的协同作用;通过摇摆木构架的试验和理论分析总结节点摩擦耗能、重屋盖高位储能、构架长周期摇摆释能的综合抗震机理。