中国古建筑结构力学研究进展

中国古代建筑是中国古代文化的宝贵遗产。力学的多样性也反映在古建筑结构力学研究。西安交通大学从1982年开始,对以西安明代箭楼、城楼和宁波宋代保国寺等国家重点保护文物为代表的木结构建筑,以唐代大雁塔、小雁塔等国家重点保护文物为代表的古代高层建筑,和以国家重点保护文物西安古城墙为代表的砖-土结构以及钟楼、鼓楼等中国城市的代表性古建筑的结构力学特性进行了一系列研究。得到关于古建筑结构(如斗拱、结构非线性、榫卯节点的接触力学特性、地宫、古代夯土、古塔基础、古城墙等)力学特性的新认识。本文对此进行小结,同时也介绍近年来的其它学者的一些研究。

古建筑结构研究的历史性、艺术性和科学性 第十三届全国结构工程学术会议特邀报告

中国古建筑研究强调历史性、艺术性和科学性的三性原则,但由于历史条件等原因,以往的研究一般着重于古建筑的历史性和艺术性研究,而对古建筑的科学性的研究很少.我们从1982年开始,对以西安箭楼、城楼和宁波保国寺等国家重点保护文物和古代中国城市的典型建筑钟楼、鼓楼为代表的木结构建筑,以大雁塔、小雁塔等国家重点保护文物为代表的古代高层建筑,和以国家重点保护文物西安古城墙为代表的砖-土混合结构等的结构力学特性进行了一系列研究。得到一些关于古建筑结构(如木结构、斗拱、地宫、古代夯土、古塔基础形状、古城墙稳定性等)力学特性的新认识。本文对此进行较为系统的小结。

利用小波包分析古建筑结构损伤研究

对古建筑结构的损伤进行有限元分析,提出随机激励作用下古建筑结构的小波包能量变化率指标。把古建筑结构梁上各节点的加速度响应信号进行小波包变换来进行损伤定位,该指标对于古建筑结构的损伤比较敏感,能准确判定古建筑结构的损伤位置,损伤程度越大,此指标越大。随后又提出损伤程度的判别方法并验算了其有效性,为研究环境激励下古建筑的损伤预警提供了理论依据。

古建筑结构加固防渗改造材料筛选研究

中国古建筑是我国优秀的建筑遗产,但因为诸多主客观原因使古建筑遭到破坏,于是文中以汝南地区古建筑为研究对象,提出运用桐油-石灰灰浆作为有机-无机复合材料对古建筑进行加固防渗改造处理。首先,利用实验室模拟样品测试实验,选取三种不同种类的石灰,即氧化钙、碳酸钙和氢氧化钙分别与不同种类的干性油进行物理力学性能测试实验,并对实验产生获得灰浆进行抗压强度检测,显示运用氢氧化钙与桐油混合后获得的桐油-灰浆具有较好抗剪切能力;其次,利用氢氧化钙分别与桐油、亚麻油和梓油进行混合形成不同灰浆,将上述形成的灰浆进行抗冻融循环实验及防水侵蚀实验,同时利用扫描电镜和X射线衍射等技术对灰浆实行结构分析,实验结果表明利用桐油-石灰灰浆复合材料对强降雨环境下古建筑结构进行加固及防渗改造后效果良好。

基于拉普拉斯滤波算法的古建筑结构振动位移测量

现行古建筑修筑年代过久,在地壳运动等客观因素作用下,其内部结构会发生不同程度的振动位移。传统方法未对数据噪声能量进行滤波,导致测量结果准确率低。为此提出基于拉普拉斯滤波算法的古建筑结构振动位移测量方法,分散设立扫描站点以获取更完整的振动信息数据;设立多个标靶用作振动数据配准,按照数据的精度约束条件对扫描仪的各项参数进行设定,完成振动数据采集。对各测站点扫描的振动数据进行归一化处理,使它们处于同一个坐标系中,实现各独立坐标系至同一坐标系的变换;应用多站拼接方法对振动数据进行拼接,将完成拼接的数据重叠部分整合在一个图层上。运用拉普拉斯滤波算法将噪声能量移至其邻域不同点上实现去噪,通过振动响应灵敏度识别法对古建筑结构振动位移进行测量。实验结果表明,所提方法测量结果精确,应用性较强。

古建筑木结构无损检测内容与研究进展

中国拥有大量的木结构古建筑。合理有效地检测评估木结构的存在状况,是古建筑保护和修缮工作的重要需求。古建筑木结构无损检测是以无损检测和评估古建筑木结构安全性,以现场应用和实际需求为导向的木材材性检测评估技术,检测内容主要包括缺陷无损检测和木材物理力学性能无损检测两个方面。木结构、木构件隐藏缺陷的检测以及评估是古建筑木结构无损检测工作的重点和难点。本文首先介绍古建筑木结构的组成,总结其无损检测内容和目前常见无损检测方法;然后归纳总结古建筑木构件隐藏缺陷无损检测、古建筑木构件分等、腐朽对古建筑木材力学性能影响等应用和研究进展;最后归纳说明古建筑木材力学性能无损检测和自然老化对古建筑木材性质影响的研究状况。以期对从事木结构文物保护技术应用和科研工作的相关人员,有所启发和帮助。

考虑非结构构件的木结构古建筑抗震性能研究综述

木结构古建筑是我国文物建筑的主体,它以木材为主要承重构件,具有深厚的历史文化价值。本文根据已有研究,从结构试验、数值模拟、抗震性能评估方法 3个方面,总结了含有隔墙、隔扇、雀替等非结构构件的古木建筑抗震性能研究现状。研究表明,非结构构件可以限制榫卯节点拔榫,改善节点受力,不同程度提高结构的强度、刚度和耗能能力,降低了结构在地震作用下坍塌的概率。最后结合我国木结构古建筑的研究现状以及与其他国家的研究差异,给出了未来木结构古建筑抗震性能的可能研究方向。

基于BIM的飞云楼结构古建筑遗产保护模型研究

飞云楼是一项具有深厚历史文化的古建筑遗产,其结构完整性的维护对文化传承至关重要。研究采用BIM技术监测和分析其结构健康状况,为古建筑的保护与维护提供新的方法。分析结果表明,监测桁架的日均变化率高达19.173%,异常监测值达到-43.16,榫卯连接处与地基的日均变化率分别为-15.902%与-20.041%,但异常监测值分别为-46.24与-23.08。对于梁与柱子,异常日均变化率分别为-1.792%与3.594%,梁的异常监测值为17.33,柱子为-51.09。屋顶的异常日均监测值为-62.73,是所有监测部位中最高的,表明屋顶承受的应力或损伤程度可能最为严重。由此可见,该模型为飞云楼的结构性问题提供了预警,指出维护和监控的重点区域,为制定针对性的维修策略提供了依据,同时为其他古建筑的结构健康监测提供了可行的参考。

结构健康监测系统在木结构古建筑中的应用

文物木结构古建筑是一个国家文化的重要组成部分,代表着民族文化的自信与传承。然而由于长时间受到环境和人为侵蚀,木结构古建筑易遭到损坏。为更好地保存好木结构古建筑以及其代表的文化内涵,对其结构安全监测提出了迫切的需求,近年来对木结构古建筑的安全监测方法也得到了快速的发展。分别介绍了虚拟重建、红外热成像、地面激光雷达、超声波监测、光纤传感等技术的原理及在木结构古建筑监测中的应用,并总结了其各自的优势与劣势。针对木结构古建筑采光不足问题,总结了光导系统,尤其是光纤光导照明系统对自然光的引入,该类照明系统具有清洁、安全的特点,避免了烛火、电类照明系统为木结构古建筑带来的火灾风险。

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.

从工程制图到虚拟设计:数字化古建筑结构的实践探索

数字时代,如何借助新兴技术完成古建筑结构的数字化展示以实现对古建筑的保护和创新设计,已经成为保护和传承中华优秀传统文化的重要命题。文章从数字国粹项目的内容选择、数据搜集、模型制作、效果呈现等方面进行相关探索,并以数字化古建筑为主题,基于三维重建、数字孪生、虚拟交互等技术,构建古建筑结构的营造逻辑提炼和转译设计方法框架。

基于无损检测的残损古建筑木结构受力性能研究

硬山式是中国古建筑中最常见的形式。古建筑木结构在历经上百年之后存在不同程度的残损,为了建立更接近实际残损现状的有限元模型,并研究残损对古建筑木结构整体受力性能的影响,选取了北京某四合院民居中的硬山式古建筑木结构为研究对象。通过无损检测,确定了结构的残损类型和残损状况。基于无损检测结果,分别建立了结构的完好和残损有限元模型,对其进行了模态分析、静力计算和地震响应计算。最后,对影响结构频率的各残损参数进行了敏感性分析。研究结果表明:材料的老化、构件和节点的残损降低了结构的刚度和自振频率;在静力作用下,残损结构中构件的最大应力大于完好结构;在地震作用下,残损结构的最大加速度、最大位移和最大位移角均大于完好结构;各残损参数中材料弹性模量对结构频率的影响最大,榫卯拉压刚度的影响最小。

古建筑木结构透榫节点地震损伤演化模型研究

为定量评估古建筑木结构透榫节点的地震损伤程度与地震损伤演化过程,对Kratzig地震损伤模型进行了改进。分别基于刁波地震损伤模型、Kratzig地震损伤模型以及改进的Kratzig地震损伤模型对3组透榫节点进行了地震损伤分析,研究了3种模型的适用性。为了对实际工程中的透榫节点松动进行地震损伤评估,基于改进的Kratzig地震损伤模型,考虑了节点松动对改进的Kratzig地震损伤模型的影响。结果表明:改进的Kratzig地震损伤模型在描述透榫节点地震损伤中表征效果最好,能够克服地震损伤模型与Kratzig地震损伤模型的不足;随着松动程度的增大,透榫节点损伤指数增长减缓,最终破坏时损伤指数减小。最后根据国内抗震设防规范,结合古建筑木结构地震损伤评估,提出了透榫节点性能水准分类及每个阶段的加固建议。

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。

残损古建筑木结构不对称榫卯节点抗震性能试验研究

为研究残损古建筑木结构不对称榫卯节点的力学特性,共设计4个足尺古木结构榫卯节点,包括1个连接完好及3个存在不同松动程度的不对称榫卯节点,通过拟静力试验获得其弯矩-转角滞回曲线,对其滞回特性、骨架曲线、耗能能力及刚度退化规律等进行分析。结果表明,残损节点滞回曲线呈反“Z”形,捏缩效应显著;存在松动的不对称榫卯节点峰值弯矩及转动刚度均小于连接紧密的节点试件,而极限转角大于连接紧密的节点试件。随着节点松动程度的不断增大,各试件峰值弯矩、转动刚度峰值及滞回耗能逐渐降低。控制位移不变时,连接紧密完好节点的滞回耗能及刚度明显高于松动节点;各不对称榫卯节点正、负向刚度不等。同时,本研究获得了不同松动程度下节点的正、负向刚度理论公式,为工程加固修缮提供理论依据。

浅析“小式”木结构古建筑检测抽样原则和检测项目

提出“小式”木结构古建筑检测的基本原则,从抽样方案、检测方法等方面阐述了确定检测抽样方法的原则,并从资料收集和现场踏勘、地基基础检测、木材缺陷与损伤检测、木材力学性能检测、结构布置和整体变形检测、承重构件检测、主要节点和连接检测、围护结构检测等检测项目,从而探索研究“小式”木结构古建筑检测的相关内容。

某木结构古建筑迁建工程结构安全性鉴定

文章以某木结构古建筑迁建工程为例,对照《民用建筑可靠性鉴定标准》(GB 50292-2015)对其进行结构检测鉴定,综合现场实测结果、结构验算结论及结构目前使用状况对该工程的安全性等级进行评定,并针对存在问题提出处理意见和使用维护建议。

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。

基于应变监测数据预测值的藏式古建筑木结构健康状态评估

为增加藏式古建筑木结构的安全冗余度,该文提出了短期应变监测数据预测方法,以此对藏式古建筑木结构健康状态进行预判性评估。以回廊结构为对象,利用Sobel算子与卷积神经网络方法处理传感器带来的多种数据异常。通过多项式回归和功率谱密度的方法确定应变监测数据组分。引入变分模态分解法对数据进行解耦,以Prophet算法预测短期温度监测应变,以Gumbel极值理论预测不同重现期下的人群监测应变。以不同重现期下的应变监测数据预测值的叠加结果确定需重点关注的结构位置和需立即修缮的结构位置,以满足藏式古建木构的预防性保护要求和最小扰动原则。

华北地区古建筑木构件开裂类型与特征分析

木构件开裂是木结构古建筑中主要残损类型之一,影响古建筑安全性能。为研究古建筑木构件的开裂类型与特征,通过现场勘查对我国华北地区8处木结构古建筑的关键木构件开裂情况进行检测,获得古建筑木构件开裂残损的类型与形态、数量、尺寸等特征,并与自然干燥的现代材开裂情况进行比较,观察木材裂缝长时间的变化情况。研究结果表明:古建筑木构件开裂率约85%,裂缝按其形态与开裂原因可分为干缩裂缝与受力裂缝,干缩裂缝为主要类型;多数干缩裂缝开裂深度未至髓心,比例为78.16%;木构件干缩开裂特征受其形态影响,自然干燥现代材与古建筑木材开裂特征相同,达到平衡含水率后开裂特征基本不发生变化。