基于模态柔度曲率的砖石古塔损伤识别研究

损伤识别是结构性能评估的有效途径之一,砖石古塔的模态柔度曲率是进行损伤识别的有效参数之一。为研究古塔结构损伤机制与模态柔度曲率的关系,依据兴教寺窥基塔结构模型振动台试验及数值模拟结果,分析周期性荷载作用下塔体动力响应及破坏特征,建立了塔体损伤程度与模态参数的关系模型。结果表明,古塔结构开裂破坏后,刚度减小,模态柔度曲率增大;数值计算与试验测试所得加速度及频域响应规律一致,塔体模型结构试件的开裂损伤随加载工况增多而持续累积,加载前期损伤参数变化缓慢,而后保持稳定,试验及模拟所得塔体的破坏过程一致。因此,塔体模态柔度曲率变化与古塔结构损伤累积具有一致性,可用于有效可靠识别砖石古塔结构损伤识别。

砖石古塔模型振动台试验的离散元模拟分析

砖石古塔块体间黏结强度较低,受地震作用易产生裂缝后发生破坏,为研究砖石古塔在地震作用下开裂及裂缝发展机制,以玄奘塔1/8缩尺模型结构为对象,建立离散元模型,计算了地震波激励下结构的加速度及位移反应,与振动台试验结果进行对比,分析了塔体开裂破坏全过程。结果表明,数值计算所得结构的加速度及位移反应与振动台试验结果一致,当地震烈度较低时,两者顶层位移变化曲线基本一致;烈度提高后,塔体开裂导致结构动力响应的计算值与试验结果出现差异,但两者的变化规律相同。在地震波激励下,塔体首层先开裂,随地震烈度的提高延伸至中部塔层,块体第2层出现阶梯状错动,模型损伤过程与试验裂缝发展状况基本吻合。研究结果为砖石古塔地震损伤及破坏过程分析提供了参考。

基于等效模型的砖石古塔有限元模型修正方法

针对砖石古塔实体有限元模型节点众多导致修正效率低下问题,提出了一种将实体模型和杆系模型相结合的有限元模型快速修正方法。基于古塔结构的测试输出信号,使用随机子空间法识别了塔的自振频率。使用整体连续式方法建立了ABAQUS有限元模型,基于实测结果,使用萤火虫算法修正了塔的弹性模量、密度。修正后的有限元模型的计算结果与实测结果对比,能够较好吻合,说明修正后的模型可靠,可以作为后续抗震性能分析的基础。

从敦煌莫高窟壁画看盛唐时期的佛塔建筑

基于对敦煌莫高窟历代佛塔壁画分布情况的梳理,总结莫高窟盛唐壁画中佛塔类型与发展规律。从形制、色彩、装饰造像三个层面,对莫高窟壁画中木塔、砖石塔、砖木混合塔佛塔建筑与现存盛唐时期同类型佛塔建筑进行比较研究,发现两者异同。此外,文章还分析了盛唐佛塔建筑对盛唐后传统佛塔建筑与现代建筑的影响,提出在现代审美语境下继承与发展盛唐佛塔建筑的设计方法。

应县木塔结构稳定性评估预问题之我见

国家重点研发计划支持项目《应县木塔结构稳定性评估与保护研究》研究指南在明确常规研究内容的同时,强调了“研究应县木塔营建历史、形制、用材原则,构件劣化特征与损伤累积效应关系”。清华大学建筑学院研究团队认为该问题正是应县木塔结构稳定性评估工作的基础性“预问题”,并就此进行延伸思考,提出此“预问题”的3个方面及解决问题的相应技术路线。

武安州塔动力特性与抗震性能分析

为给赤峰市武安州塔的加固保护工作提供依据,对古塔动力特性开展测试和数值模拟分析。首先对武安州塔的塔体材料力学参数进行测试;然后在考虑栣木构造措施基础上建立武安州塔的数值分析模型,对模型进行模态分析并通过经验公式进行验证;之后用该模型进行反应谱分析。研究结果表明,塔身周围4个正方位的券洞是塔体的薄弱部位,塔身和1~4层束腰部位出现拉应力,超出了砌体材料的抗拉强度极限值;塔体3层及以上已产生轻微破坏,存在较大安全隐患,需采取相应加固保护措施。

参数化驱动下的辽代密檐塔自动化生成初探

数字技术的出现为历史建筑数据的处理提供了新的解决方式。不同于其他殿堂佛寺类历史建筑,塔类建筑由于层数多,塔檐部分攀登困难,内部难以勘测等问题,面临测绘、保存与再利用的难度。针对目前古塔的研究困境,文章以辽代密檐塔的三维逆向生成为目的,以Grasshopper参数化设计结合自动生成原理,在储存塔的数字信息的同时,还原辽代密檐塔的历史特点和风貌。

构造特征对应县木塔柱头铺作受力性能的影响研究

铺作节点是应县木塔的重要组成节点之一,开展铺作的抗震性能研究对应县木塔的保护工作具有重要现实意义。该文主要进行了三层至五层的明层外槽柱头铺作的缩尺模型的拟静力抗震性能试验,研究了构造差异对柱头铺作抗震性能的影响。试验结果表明:具有不同构造特征的三个柱头铺作模型的铺数越多,其耗能能力越强,水平承载力越大。柱头铺作在正向加载时都是以转动变形为主,在负向既有转动变形也有滑移变形。铺数增加会降低构件滑移变形的占比。铺数减少时,柱头铺作模型在负向加载中滑移变形的占比越大,但是当某相邻两层之间的散枓或齐心枓枓耳被剪坏时,负向的滑移变形占比增加明显,DG-1、DG-2和DG-3构件间的最大滑移占比分别达到51%、47%和87%。三层至五层柱头铺作的构件滑移主要位置在模型的中、上端部分。该研究可为应县木塔的安全现状和修缮保护提供充分的基础保障。

考虑土-结构相互作用永祚寺文峰塔地震响应分析

为研究土-结构相互作用对古塔地震响应的影响,借助ABAQUS有限元软件通过对地基土施加黏弹性边界,建立了不考虑土-结构相互作用(soil-structure interaction, SSI)效应、SSI效应下不考虑基础与地基土分离滑移与SSI效应下考虑分离滑移三种模型,通过时程分析法对比分析了SSI效应对山西省永祚寺文峰塔动力特性与破坏形态及损伤的影响。结果表明:考虑SSI效应后古塔高阶自振频率显著降低,其水平位移与层间位移角将总体增大,水平加速度放大系数呈下降趋势,塔下层损伤明显加剧且上层损伤有所降低,基础损伤明显;在设防地震作用下基础与地基土分离滑移现象加剧,有将沿中和轴破坏的风险,底层塔檐为薄弱部分,且基础的损伤不容忽视。分析结果对于预测高层密檐塔损伤破坏具有参考作用。

基于线性结构模型的古塔刚度中心识别方法研究

基于动力测试的古塔结构状态评估是其预防性保护工作的重要一环。该文结合动力测试方法,提出了一种基于线性结构模型进行古塔刚度中心识别的方法。基于偏心结构动力学理论凝练了非同轴刚度偏心的古塔计算模型与特征方程;基于Bayesian理论线性结构识别模型的推导及Gibbs抽样开展了结构物理参数识别,并结合经典算例对识别结果进行了验证;将该方法应用到我国重点保护文物开元寺塔的刚度中心识别中。

应县木塔普拍枋用材方法与残损状况分析

普拍枋的横纹受压变形积累等残损现象是应县木塔结构发生竖向沉降和损坏的重要原因,严重影响木塔的安全性能。为研究应县木塔普拍枋的取材用材信息与残损现状,通过现场勘察记录各层普拍枋用材的年轮数、髓心位置与受压处的压缩情况,并采用无损检测技术获得木材年轮宽窄面与木材大小头摆放方式,同时对端面图像进行处理以计算端面裂隙率与缺损率。研究结果表明,应县木塔普拍枋用材为树龄大于100年的华北落叶松(Larix principis-rupprechtii Mayr.),且尽可能保证了木材两端髓心处于中心位置,同时木材的年轮宽窄面与大小头摆放存在一定规律;木材横纹受压残损是普拍枋的主要残损形式,其中压缩程度大于20%的木构件在各明层内槽普拍枋中占50%,同时随着木塔的使用普拍枋压缩程度仍在增加;木材局部受压是木构件端面开裂残损的重要原因,其中木构件局部受压压缩程度与端头开裂裂隙率呈高度线性相关。

基于变形监测与数值模拟的白衣寺塔稳定性分析

古塔作为中国建筑的典型代表之一,对塔体进行稳定性分析是后续预防性保护的重要措施.以兰州市白衣寺塔为例,运用三维激光扫描技术获取点云数据,查明目前保存现状,采用位移计、摄影测量技术监测塔身整体位移变化、局部裂隙变化,并通过Ansys数值软件模拟白衣寺塔的位移、应力变化,对白衣寺塔进行稳定性分析.研究表明,白衣寺塔目前存在倾斜,东西位移整体向西偏移,南北位移整体向南偏移,倾角为南偏西0.394°,塔底部顶部水平偏移量为0.170 m,整个塔体并未产生应力集中,结构表现为全截面受压,应力值在材料强度允许范围内.正常使用条件下,当塔体倾斜到6.41°时,拉应力达到限值,结构将会发生局部或整体失稳而破坏.

罗山寺塔动力特性及地震响应分析

为研究罗山寺塔的动力特性及地震响应,通过原位动力测试获得罗山寺塔的各方向自振频率,并采用有限元软件对结构进行地震响应分析。研究结果表明:通过经验公式和有限元分析得到的结构特性与原位动力测试结果基本一致;各烈度地震作用下的塔身底部楼层位移角较大,塔身顶部的鞭梢效应较明显;结构的楼层水平位移随加载时程增加而增大,基底剪力与地震波加速度响应一致;塔身底部及各层拱券洞口位置的砖砌体损伤较严重。

宝刹飞来 蜂台合势:敦煌莫高窟晚唐第14窟建筑意匠探讨

敦煌晚唐第14窟是一座以塔的意象为核心,集建筑、雕塑、壁画为一体的中心塔柱窟。本文对第14窟西披建筑图像与中心龛柱所组成的宝塔形象进行理论复原,并结合窟内另外四处塔图像、佛教与装饰图像,探讨中心宝塔形象对石窟空间意象的塑造。提出其中心龛柱造型借鉴吐蕃风格弯柱塔图像的可能。剖析晚唐石窟设计如何通过建筑空间的十字对称,建筑与雕塑、图像空间的穿插和装饰渲染等方式,营造了突出主塔的五佛曼陀罗坛场。讨论宋初重修时补绘的法华塔图像和莲花图案与晚唐宝塔形象在视觉与主题上的关联,及由此完成的法华塔与华藏世界之叠映。提出研究敦煌建筑艺术中复合空间的新方法。

某砖石古塔结构动力性能测试与模拟分析

古塔结构材料中存在大量未知物理力学指标,采用有限元方法能否有效地模拟计算古塔的动力特性一直是困扰文物工作者的重要问题。首先开展了对砖石古塔的现场动力性能测试,同时采用有限元方法对其动力特性进行了模拟计算,并将实测结果与模拟计算结果进行了对比。结果表明:采用现代砖砌块、砂浆材料的相关物理性能指标以及相应现场检测方法获得的力学性能指标,通过有限元方法模拟计算砖石古塔结构的动力性能是可行的。古塔结构实测的前两阶自振频率与有限元方法模拟计算得到的前两阶自振频率基本一致,偏差仅为0.8%,可以满足工程需要。

南郭寺南山佛法身舍利塔抗震性能研究

南郭寺南山佛法身舍利塔是一幢新建于高设防烈度地区山坡平地上的仿古塔建筑,设计使用年限为100年,其建筑造型和结构体系比常规建筑稍复杂。首先通过动力特性分析得到塔的自振周期和振动模态,而后基于振型分解反应谱法和时程分析法,采用有限元软件midas Gen对结构在小震、中震和大震作用下的地震响应进行了数值分析。因为在结构总说明中,只用到了设计使用年限为50年的地震作用,而未将其调整为100年,所以分析中均取2组地震动参数,即设计使用年限50年和100年。小震和中震的地震响应计算均采用弹性法,分析结果满足结构抗震性能要求。大震响应计算时,振型分解反应谱法中将特征周期提高了0.05 s,弹塑性时程分析采用塑性铰滞回模型,最大层间位移角均小于限值1/100。弹塑性时程分析还表明,内核心筒剪力墙的塑性铰发展和屈服程度均比外框架严重,但结构总体处于存在明显塑性变形至不严重破坏的状态,满足“大震不倒”的抗震性能要求。总的来说,南郭寺南山佛法身舍利塔抗震性能安全可靠,其结构体系对于类似仿古塔建筑的结构选型和设计富有借鉴意义。

杭州保俶塔1933年兴修计划及现存形制初探

本文基于1929-1938年保俶塔兴修工程相关文献、雷达探测波谱两者的关联整合研究,初步探索保俶塔1933年兴修后封闭塔体的内部结构与形制。经由文献研究,梳理民国时期兴修保俶塔计划图说、筹款过程、施工情况,通过雷达探测波谱分析,验证了此次兴修工程后塔身一至五层、六至七层及顶层可能的内部结构情况,为西湖文化遗产的保护管理提供有益的学术研究依据。

圣寿寺唐代砖塔地震响应和损伤分析

为研究圣寿寺塔在地震作用下的响应及损伤机制,对其进行抗震保护,通过有限元软件ABAQUS以分层建模方法建立塔体结构的数值模型,计算了其动力特性。并输入El-Centro波、Taft波和兰州人工波,通过计算塔体地震反应,得到结构的加速度放大系数、层间位移以及层间位移角,分析了结构的地震损伤分布规律。结果表明,塔顶的加速度放大效应最为显著,水平层间位移角值最大,结构上部较早发生塑性变形而开裂破坏。塔底地震损伤明显,首层是结构的薄弱部位,灰缝早于块体发生开裂并逐层向上延伸。塔檐先于塔体发生受拉破坏,破坏区域自塔檐中部向四角蔓延。研究结果为圣寿寺塔的抗震能力评估提供依据,为其抗震保护奠定基础,研究方法可为其他砖石古塔提供参考。

砖石古塔结构基本周期预测

为了快速预测古塔结构的动力特性,尤其是数量较多的砖石古塔结构的基本周期/频率,本文首先在结构动力学基本公式的基础上,提出了砖石古塔结构基本周期/频率预测公式的基本形式。其次收集了国内砖石古塔的实测结构基本周期/频率,通过数据拟合的方法获得了半理论半经验的砖石古塔结构基本周期预测公式。将古塔结构的实测基本周期与预测公式计算结果进行了比较,结果表明预测偏差在14%以内。该预测公式能较准确地预测结构状态良好的砖石古塔结构的基本周期,满足文物保护工程的要求。

万部华严经塔塔基的预防性保护研究初探

内蒙古地区现存大量的辽塔建筑是我国建筑文化遗产中的重要部分,但辽塔受自然环境、人为因素的影响,目前出现了严重的病害,保存现状堪忧。文章通过对万部华严经塔塔基进行勘察测绘、拍照等工作,厘清了万部华严经塔塔基的病害种类及其机理。病害表现为裂隙与裂缝、剥落与缺失、溶蚀等。这些病害主要是由内蒙古地区独特的地理条件和气候环境引起的,如风沙大、早晚温差大等。这给日后进行辽塔塔基的预防性保护提供了基础。文章提出了预防性保护策略,以防为主,治为辅,加强对工作人员的管理,通过监测提前识别风险,降低防治成本,尽可能减少对万部华严经塔塔基的再破坏。