古建筑木构件开裂机制、评估与加固研究进展

开裂作为古建筑木构件最常见的残损类型之一,影响木构件的长期服役性能,是古建筑稳定性与安全性评估的重要考查内容。本文从古建筑木构件开裂情况、原因、影响,评估方法及修复加固等方面,系统梳理古建筑木构件开裂残损相关研究成果。分析发现我国古建筑木构件开裂的主要原因为木材干缩与受力破坏,主要类型为纵向开裂,开裂可降低木构件力学性能,也可为其他不利因素作用于木构件提供条件。目前主要通过实际试验与数值模拟评估开裂对木构件性能的影响,利用金属材料、纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)与高分子树脂材料对开裂木构件进行修复加固。然而,由于古建筑的特殊性与木材变异性,仍需进一步探索木构件的不同尺度开裂机制,开发适用于古建筑开裂木构件的检测、评估与加固方法,建立科学系统性的古建筑保护体系。

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。

歪闪古建木构架整体纠偏方法与数值模拟

由于环境与人为等因素的长期影响,木结构古建筑普遍存在倾斜歪闪等损伤问题,严重影响了古木建筑的安全,亟需纠偏修复。研究尝试提出一种整体纠偏方法,构建木构架结构纠偏理论计算模型,通过数值模拟方法分析了纠偏过程的可行性,并以某多层木结构建筑的纠偏复位过程为例加以验证。结果表明:纠偏后结构楼层偏移明显减小,纠偏过程中主要结构构件仍然处于弹性范围内,纠偏效果良好,可为同类古建木构架纠偏理论研究提供借鉴。

木构架古建筑基本周期的分析方法

针对现行规范近似公式存在的不足,结合单层、两层砖围护墙木构架古建筑的构造特征,构建了设有集中质量和连续分布质量的悬臂杆分析模型,以考虑屋顶、楼盖的质量和位置,以及围护墙、木构架的质量和刚度分布规律。依据结构动力学原理,采用等效质量法将分析模型等效为单质点悬臂杆模型,推导了中部集中质量和连续分布质量的等效公式,以及基本自振周期的计算公式。所研制的分析模型较好地反映了古建筑的大屋顶、楼盖及围护墙对结构自振周期的影响,相应的计算公式可以得出结构的横向和纵向基本周期。结合3座典型古建筑的动力特性试验研究,介绍了计算公式的运用方法,并将基本周期的计算值与实测值进行了对比,表明提供的分析方法适用于围护墙在横向、纵向不同布置的木构架古建筑的基本周期分析。

古建筑落叶松木构件自然老化材性变化

为探究古建筑木构件自然老化材性变化,以距今约350 a的一段古建筑华北落叶松木构件及与其具有相似年轮宽度的落叶松新材为研究对象,加工标准力学试件,测定试件的材性参数(颜色、全干密度、力学性能参数)及无损检测参数(微钻阻力值、超声波波速),对比分析自然老化木材试件的无损检测参数与材性参数的变化及分布规律,并基于所测得的新旧材两类试件的材性及无损检测参数建立落叶松木材物理力学性能参数的多元回归模型;研究结果表明:所测老化木材试件物理力学参数及无损检测参数均衰减明显,且颜色具有极显著差别;自然老化木材试件各参数变异系数均高于新材试件,但两者均符合正态分布,建立的落叶松木构件物理力学性能参数的评估模型具有较高评估性能。

古建筑木构件修复加固用环氧树脂性能评价方法研究

环氧树脂是古建筑木构件修复加固的常用材料,为了科学合理地使用环氧树脂,基于多准则决策理论建立古建筑木构件修复加固用环氧树脂性能评价模型。参考古建筑木构件修复加固工程对环氧树脂的要求与相关标准确定环氧树脂的性能指标集合,采用熵权法与层次分析法分别得到各性能指标客观权重与主观权重,综合主客观权重对各性能指标赋权,使用优序法与逼近理想解排序法(technique for order preference similar to an ideal solution,TOPSIS法)结合各性能指标复合权重构建两种综合性能评价模型。通过验证试验对十组环氧树脂进行综合性能评价,结果表明复合加权TOPSIS综合性能评价模型更全面客观,更适用于古建筑木构件修复加固用环氧树脂,可作为选择和使用环氧树脂的参考方法。

故宫古建筑防火文化信仰研究

故宫古建筑以木结构为主,在历史上曾多次遭受火灾。古代工匠积累了丰富的防火智慧,形成了特殊的防火文化信仰。故宫古建筑的防火信仰文化,主要包括采用螭吻、游龙、海马、行什等异兽来“防”火,采用藻井、水生植物来“镇”火,书写不带钩的“门”字来避讳火灾;利用五行中“北为水”“金生水”“水克火”的古代哲学思想来“克”火等。尽管这些做法没有科学价值,但对研究我国古代消防史及消防文化而言,均有重要的参考价值,因而从文化遗存和文化信仰等方面来讲,它们是积极的,值得包容的。

大同华严寺大雄宝殿抗震构造研究

山西大同华严寺大雄宝殿是一座辽代建筑。为有效保护古建筑,以大雄宝殿为例,采用现场调查与分析论证结合的手段,研究了辽代建筑的抗震构造。结果表明:大雄宝殿浮放石柱础、榫卯、铺作等构造可发挥耗能减震功能,立柱、梁架、建筑高宽比有利于结构抗震稳定;但减柱造形式使得建筑易于产生扭转,高台使得上部结构所产生的地震响应放大。

单檐歇山式古建模型动力特性与多遇地震响应

为了更好保护古建筑,以某单檐歇山古建筑模型为对象,应用已有的试验成果,采用有限元分析方法,研究其动力特性及8度多遇地震响应。采用弹簧单元模拟榫卯节点及斗拱构造,并考虑柱础为平摆浮搁,建立古建筑模型的有限元模型。通过模态分析,获得了模型的基频及主振型;通过对模型输入PGA=0.1g(x向)的水平双向地震波(x∶y=0.85∶1),获得了典型节点的位移、加速度响应曲线、典型单元的内力响应曲线,并对模型的抗震性能进行评价。结果表明:模型基频为1.34Hz,主振型以平动为主;8度多遇地震作用下,模型能保持稳定振动状态,结构的内力和变形均在容许范围内。有限元分析结果与振动台试验结果一致。本研究结果可为单檐歇山顶式古建筑在多遇地震作用下的性能评估及文物保护提供理论依据,为古建文物管理提供参考。

高烈度区古建筑木构架的拉结加固方法

榫卯节点是木构架构件连接的关键构造,也是地震中容易损伤的部位,其抗震加固是降低木构架地震损伤程度、提升整体稳定性能的重要措施。依据GB/T 50165—2020《古建筑木结构维护与加固技术标准》的抗震鉴定要求,以构架的柱与梁枋拉结加固、构架间连接加固为研究重点,针对榫卯节点以及屋盖构件连接的薄弱构造和损伤特征,提出了高烈度设防区木构架整体拉结加固的实用方法,研制了相应的加固装置。该方法根据木构架在地震中的变形特点,确定了拉结加固的重点部位,以及加固装置的布置形式。所研制的加固装置源于传统铁件加固工艺并进行了性能改善,采用现代防锈蚀钢材制作连接件和紧固件,可延长装置的使用期限;采用降低连接件弯曲刚度的构造措施,可减少对榫卯节点半刚性转动性能的影响。为了推动抗震新技术在古建筑中的运用,介绍了一种布置在木构架额枋与柱之间的雀替式加固装置,可有效地提升高烈度区木构架的变形控制与能量耗散性能。

嘉兴老火车站及炮楼结构修缮改造的设计研究

嘉兴老火车站及炮楼位于嘉兴市火车站片区,为嘉兴市级历史保护建筑。在修缮及改造过程中,针对历史文保部分的修缮,历史文保部分的改造及非文保部分的改造,结构分别做出了不同的修缮和改造处理,为后续类似项目提供了参考和借鉴。主要结论为:(1)提出的木构件的干缩裂缝、脱榫和砖墙裂缝的处理方式是合理的,施工简单,安全可靠。(2)提出的历史保护建筑采用内衬混凝土框架结构的加固方式,既保证历史文保建筑的整体性,满足建筑功能需求,同时也提高其整体的抗震性能。(3)针对改造部分,采用新建内置混凝土框架体系保存了既有外墙,体现原有建筑的外立面风貌。同时新建屋面采用钢木悬索屋架,彰显了结构的魅力,是新旧结构结合的完美展现。

基于改进物元可拓模型的木结构古建筑地震风险评估

为准确预测木结构古建筑在地震下的风险等级,结合地震破坏特点和木结构古建筑结构特性,选取致灾因子危险性、孕灾环境敏感性、承灾体脆弱性为特征的22项评估指标,利用改进物元可拓模型建立了木结构古建筑地震风险评估模型。该模型以贴近度代替关联度,提高了评估结果的准确性。运用该模型对某木结构古建筑在不同地震动水平下的地震风险进行评估。结果表明,该木结构古建筑在遭遇地震动峰值加速度为0.05g、0.10g和0.20g的地震作用时,为中等风险;当遭遇到0.40g的地震作用时变为较高风险。

基于敲击声MFSC特征CNN模型的古建筑木材物理力学性能评估

【目的】我国有大量的木结构古建筑,在现场对古建筑木构件正常木材的物理力学性能给予方便的检测评估,是古建筑木结构日常保护、修缮和安全评估的刚性需求。本研究对敲击声信号引入机器学习算法处理,力图将便捷的敲击方式应用于古建筑木材物理力学性能的无损检测。【方法】以北京某皇家古建筑拆修下来的4段落叶松旧木构件为原材料,加工无疵试件,首先探究木试件尺寸、密度对敲击声信号的影响,试验测定木试件的密度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度等物理力学性能参数;然后对试验采集的敲击声信号进行梅尔频率谱系数(MFSC)特征提取,以敲击声MFSC特征为输入、试件物理力学性能为输出,构建古建筑木材物理力学性能卷积神经网络(CNN)评估模型。【结果】试件尺寸对敲击声信号没有影响,密度较高试件的敲击声信号的主峰频率较高;失活层对模型性能有较为明显的影响,失活层失活率为0.2时的拟合效果最佳;所建立的模型对古建筑木材物理力学性能的评估效果良好,密度、抗弯强度、抗弯弹性模量、顺纹抗压强度评估值与真实值之间的决定系数分别达到0.873、0.819、0.746、0.860。【结论】本研究构建的基于敲击声MFSC特征CNN模型,对古建筑木材物理力学性能进行检测评估是可行的。

某古建筑木结构房屋结构检测鉴定

以某抬梁式木结构的检测鉴定为背景,介绍了既有古建筑木结构的检测过程,并根据检测结果进行了结构安全性及抗震鉴定,给出了检测鉴定结论,并合理的给予了相关处理建议,为此类工程的检测鉴定提供参考。

基于三维虚拟技术的《营造法式》中殿堂建筑木结构的复原研究

针对宋代经典建筑典籍《营造法式》中记载的一等材殿堂建筑的大木结构,进行三维虚拟复原研究及可视化设计呈现,建筑平面和剖面分别参考书中的“殿阁身地盘九间身内分心斗底槽”图样和“殿堂等六铺作分心槽草架侧样第十四”图样,屋顶的结构形式参考书中记载的四阿顶。《营造法式》中关于大木作的记载非常充分,包括大木结构的规律、构件的做法、建筑形制与用材的关系、人工与用料以及丰富的大木作图样等,可供三维虚拟复原工作参考的内容较多。通过建筑考古、文献研究及图样考据等方法,梳理《营造法式》中记载的一等材殿堂建筑木结构的空间信息以及大木作构件的结构数据,利用三维仿真与虚拟现实等技术,针对其木结构进行三维复原,并将成果进行可视化虚拟展示,可以为当下的仿古建筑设计提供木结构方面的有益参考。

木结构古建筑中的饰面型防火涂料研究进展与趋势

基于木结构古建筑的构造特点,分析其火灾隐患和火灾特点,在总结饰面型防火涂料的组成和分类的基础上,梳理了用于木材防火处理的饰面型防火涂料的阻燃机理。从抑烟阻燃、炭化深度、轴压性能以及耐火极限等角度,重点分析了新型透明饰面型防火涂料的研究进展,并对未来饰面型防火涂料的研究方向和发展趋势作了展望。

古建筑木结构构架加固试验研究

通过对未加固构架和加固构架低周反复荷载试验,研究碳纤维布加固效果和构架的抗震性能。试验得出构架水平力和水平位移的滞回曲线及骨架曲线,根据滞回曲线和骨架曲线的特征,得出了水平力和位移的关系方程和构架恢复力模型,从强度、刚度、变形能力几个方面说明加固效果较好。研究结果为古建筑的抗震性能研究和修缮加固提供了有用的参考。

碳纤维布加固古建筑木结构模型振动台试验研究

主要对按照宋代《营造法式》构造要求制作的古建筑木结构实体加固模型进行模拟振动台试验。选用三条地震波分别对结构模型的柱根、柱头、铺作、乳栿的位移、加速度响应、地震剪力以及榫卯节点的内力进行定量研究,并对结构的破坏形态、动力特性、扭转效应进行定性分析。研究结果表明:柱础的摩擦滑移、半刚性榫卯节点的转动以及枓栱铺作层的滑移使得结构模型地震响应大幅度减小,满足"小震不坏、中震可修、大震不倒"的设计要求;结构模型最大剪力沿高度的分布出现在柱架层或柱础层,并非一定出现在结构的柱础最低层;得出榫卯节点不同工况下的转动弯矩最大值;由于高振型的参与以及质量和刚度不均匀分布,结构模型在400Gal后出现明显的扭转。

古建嵌固墙体对木构架抗震性能的影响分析——以太和殿为例

现有的古建筑木结构抗震分析模型很少考虑嵌固墙体。为探讨嵌固墙体对木构架抗震性能的影响,采用数值模拟方法,以故宫太和殿为例进行了对比分析。基于榫卯节点及斗拱的力学特性,建立太和殿的2种有限元模型——包括/不包括嵌固墙体。通过模态分析,研究了嵌固墙体对木构架基频及主振型的影响;通过谱分析,研究了8度常遇地震作用下嵌固墙体对典型节点位移及加速度响应的影响;通过时程分析,研究了8度罕遇地震作用下嵌固墙体对木构架整体变形及内力分布的影响。结果表明:考虑嵌固墙体后,太和殿结构基频变大,在墙体部位的振动不明显;地震作用下,太和殿结构内力普遍增大,但变形峰值偏小,有利于避免木构架产生整体倾覆,且在罕遇地震时表现明显。

芦山7.0级地震古建筑震害调查分析

芦山地震对灾区内的古建筑带来了一定程度的破坏,本文对灾区内的古建筑进行了大量的调查,分别对木结构及石结构古建筑的典型震害情况进行了分析,通过分类统计的方法,得到了木结构和砖石结构古建筑不同破坏程度所占的比例,并对其原因进行了分析。结果表明:芦山地震中,木结构古建筑主要为中度破坏,表明木结构古建筑高烈度地震抗倒塌能力较好。砖石结构古建筑主要为重度破坏,表明砖石结构古建筑对地震扰动十分敏感,抗震性能较弱。最后,根据震害调查及分析结果,对古建筑抗震保护提出了一些建议。