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。

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。

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。

平身科斗栱节点侧向荷载-位移计算模型

平身科斗栱在减小梁跨度、分配屋面荷载和协同抵抗侧向变形中发挥着重要作用.为建立面宽方向加载的平身科斗栱节点的侧向荷载-位移计算模型,在分析节点构造特征和水平往复荷载作用下斗栱的受力状态基础上,结合典型节点模型参数及木结构抗侧构件荷载-位移骨架曲线表征方法,计算了竖向荷载和面宽方向施加水平荷载共同作用下平身科斗栱骨架曲线上的弹性荷载、峰值荷载及相应位移.建立的平身科斗栱节点侧向荷载-位移计算模型与试验数据进行对比,验证了该计算模型的正确性.结果表明,建立的侧向荷载-位移力学模型弹性段与试验骨架曲线吻合良好,能较好地反映模型弹性段刚度及其侧向承载力,但对峰值荷载的计算值偏小.

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。

古建筑木结构力学性能与性能提升技术研究进展

古建筑木结构力学性能分析是科学保护古建筑的重要基础。基于木结构建筑基本力学性能和抗震性能提升,从柱架层、斗栱层以及含斗栱层的柱架体系等方面,对其研究现状进行系统总结,综合分析古建筑木结构现有力学性能研究进展。此外,还详细梳理当前木结构修缮和加固的传统方法与新型技术,包括传统加固方式、碳纤维增强复合材料加固连接节点和应用新型功能性材料等,为进一步研究古建筑木结构稳定性及优化其修缮保护措施提供参考。

赣西地区某历史会馆结构修缮设计及抗震性能分析

某历史会馆位于江西省宜春市袁州区,建于清光绪年间,为宜春市文物保护单位。该会馆为赣西地区典型砖木结构,内部为穿斗式木结构,外围为空斗墙。由于年久失修,加之遭遇火灾,整体房屋破坏严重。首先,对该结构的破损情况进行了分析,同时根据安全性鉴定的结果,提出了“揭顶+落架”的大修方法。其次,提出“空斗墙+穿斗木结构”混合结构的数值建模方法,并建立空间计算模型进行分析。根据计算结果对破损的墙、梁、柱等结构构件进行了结构修缮设计。提出了复建空斗墙新增圈梁和构造柱的做法,增加了结构的整体性。最后,通过不同地震水准下的非线性时程分析,验证了修缮后结构的抗震性能可满足规范要求。提出的修缮设计方法和结构数值建模方法可为赣西地区类似历史建筑的修缮提供参考。

潼南独柏寺正殿大木构架形制研究

独柏寺正殿是重庆市现存年代最早的大木建筑,通过三维激光扫描和手工测量,对潼南独柏寺正殿的大木构架进行分析研究。通过对平面柱网、梁架形式、铺作层及构造做法的分析,并与《营造法式》进行对比,揭示巴渝地区元代木构建筑的营造特征。

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。

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。

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。

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。

古建筑木结构加固方法研究

中国古建筑以木结构为主,具有悠久的历史和文化价值,保护意义重大。本文作者根据木结构古建筑特点,讨论了木结构的不同破坏症状,如开裂、糟朽、挠度及拔榫等。在此基础上,主要讨论了木构件的各种加固方法,如采用墩接法加固柱根,采用嵌补法加固开裂构件,采用铁件加固法加固榫卯节点或裂缝较大构件,采用支顶加固法改善木梁弯曲受力状况,采用化学加固法对结构进行防腐加固,采用FRP法加固梁、柱及榫卯节点等。最后,结合工程实际,对几种常用的加固方法进行数值模拟分析,获得了加固前后的结构内力及变形数据,得出了对于不同的破坏类型,采取适当的加固方法均可有效提高木结构受力性能的结论。随着科技发展,更经济、有效的加固方法将用于古建筑木结构保护中。

古建筑木结构直榫节点抗震性能试验研究

为了研究不同形式直榫榫卯节点的抗震性能,参照《营造法式》及相关文献的构造要求,考虑不同榫头形式、不同模型比例、不同榫头伸出长度及不同材料对直榫榫卯节点抗震性能的影响,制作了14个T型直榫榫卯节点。通过直榫节点的低周反复加载试验,得到了不同形式直榫节点的破坏特征、弯矩-转角滞回曲线、骨架曲线、转动刚度及其退化规律和耗能等性能。试验结果表明:直榫节点的破坏形态主要是卯口、榫头的挤压变形和榫头部分拔出,梁、柱无明显破坏;直榫节点弯矩-转角滞回曲线形状呈反‘S’型,单向直榫节点的滞回环对称且饱满度较好,透榫节点、半榫节点的正向和反向滞回曲线呈现不对称性且饱满度较差,半榫节点尤为明显;单向直榫节点、透榫节点的承载力和转动刚度较大且相差不多,半榫节点较小;单向直榫节点的承载力大致与模型比例的平方成正比,但不符合模型相似关系;单向直榫节点增加榫头长度有助于提高其转动刚度,但当榫头长度大于柱径时,其提高幅度减小;透榫节点的耗能能力好于单向直榫节点和半榫节点;不同木材种类对直榫节点的承载力、转动刚度等性能有明显影响;直榫节点的转角可以达到1/8rad,表现出良好的变形能力。研究成果可为古建筑木结构的抗震分析提供依据。

中国木结构古建筑榫卯连接节点抗震性能研究进展

榫卯连接是中国木结构古代建筑的重要特征。在外荷载作用时,节点内部榫头与卯口之间会产生挤压、摩擦、弯曲、剪切等复杂的相互作用,其具有完全不同于现代结构的力学特性。由于在地震作用下,梁柱等构件一般会处于弹性工作状态,节点的抗震性能就决定了整个建筑的安全,因此该领域已成为古建筑保护工作的研究热点方向。对中国古代建筑榫卯节点抗震性能研究进展情况进行了梳理,并对其未来的发展趋势进行了总结和讨论。

古建筑高台基对地震反应的影响

高台基是许多古建筑重要的组成部分,为了探讨高台基对结构地震反应的影响,本文以西安钟楼为研究对象,建立了台基与上部木结构共同作用的三维有限元模型,采用振型分解反应谱法进行了地震反应分析,得到了对结构进行地震反应分析时应取的振型数目,与不考虑高台基时的动力特性和地震反应做了对比,并对不同侧移刚度高台基的影响进行了分析.结果表明,古建筑高台基使其上部结构的地震反应放大,地震反应分析必须考虑高台基的影响.

基于灰色模糊分析法的古建筑木结构安全性评估

为了利用有限检测结果对古建筑木结构进行安全性评估,基于灰色系统理论和模糊数学,提出古建筑木结构灰色模糊安全性评估方法.梳理古建筑木结构鉴定单元、子单元和构件的划分原则和安全等级的划分原则.研究并建议属性灰色模糊关系矩阵的确定原则和属性权重向量的确定方法.利用该方法对某典型民用古建筑木结构的安全性进行评估.研究结果表明:利用灰色模糊分析法对古建筑木结构进行安全性评估简单可行.与传统的评级法相比,该方法可考虑不同构件对结构安全性的贡献程度以及不同属性对同一构件安全性的贡献程度.