古建筑木结构基于结构潜能和能量耗散准则的地震破坏评估

为了掌握古建筑木结构地震作用下的破坏过程及对应的破坏状态,对震后古建筑木结构的破坏程度做出合理的评估,基于燕尾榫柱架和枓栱铺作层低周反复荷载作用下的滞回特性和能量耗散原理,将燕尾榫柱架和枓栱铺作层作为两个耗能构件,计算其在低周反复荷载作用下的“抵抗破坏潜能”;根据古建筑木结构振动台试验,计算各工况地震作用下每一耗能构件所耗散的能量;基于构件的“抵抗破坏潜能”和各工况下的地震耗能情况建立耗能构件在不同地震作用下的地震破坏评估模型,并借助能量分配系数找到各耗能构件破坏状态与整体结构破坏状态之间的关系,从而建立整体结构在不同地震作用下的破坏评估模型;应用该地震破坏评估模型,分别对燕尾榫柱架和枓栱铺作层和整体结构进行构件地震破坏评估及整体结构地震破坏评估,所得到的破坏系数能较好地反映各构件以及整体结构在不同地震作用下的破坏状态,研究结果可为古建筑木结构的抗震加固提供可靠的理论依据。     

古建筑木结构的结构性能研究综述

台基、柱脚的平摆浮搁、梁柱节点的半刚性榫卯连接、柱架的生起和侧脚、梁端的雀替、枓栱铺作层以及“大屋盖”等特殊的营造技术,以及水平地震作用下古建筑木构架良好的自复位性能,使得古建筑木结构能历经千百年保存至今。在分析古建筑木结构发展背景和营造特点的基础上,综述了国内外对古建筑木结构木材材性、台基层、柱架层、枓栱铺作层、屋盖层的力学性能,整体结构抗震性能以及修缮加固等方面的研究现状,综合各研究方法和研究内容,指出了目前古建筑木结构结构性能研究领域中存在的问题和尚未涉及的方面,为古建筑木结构结构性能的进一步深入研究以及古建筑的保护提供参考。     

基于摇摆柱原理的古建筑木结构柱架抗侧分析及试验验证

古建筑木结构柱架的抗侧能力对整体结构的抗震性能有着重要的影响。通过对柱架受力机理进行分析,得出在水平反复荷载作用下柱架的受力变形以侧移为主,类似于"摇摆柱";柱摇摆产生的埋置嵌入作用是柱架产生抵抗弯矩的根本原因;基于"摇摆柱"原理,并结合试验提出水平反复荷载作用下古建筑木结构柱架抗侧弯矩的理论计算公式,其计算结果与试验结果吻合良好;将试验与理论计算得出的M-θ骨架曲线进行拟合,分别得出了三组柱架的抗侧刚度公式。     

双肢消能摇摆柱受力机理及应用于混凝土框架的减震性能

针对钢筋混凝土框架结构在强震作用下出现薄弱层破坏的问题,提出了能够防止框架结构发生薄弱层破坏的消能减震构件,即双肢消能摇摆柱。在构件层面,通过分析受力机理,提出了双肢消能摇摆柱在侧向荷载作用下的弹性理论分析模型和弹塑性等效分析模型,并采用足尺试验结果及精细有限元分析结果对所提模型进行了验证,表明双肢消能摇摆柱具有良好的滞回耗能及刚度连续特性。在结构体系层面,通过纯混凝土框架与双肢消能摇摆柱 框架的动力弹塑性时程响应结果对比,表明利用双肢消能摇摆柱可较好地减轻混凝土框架结构的最大地震层间位移响应,并抑制混凝土框架结构的层间变形集中,从而防止潜在的地震作用下混凝土框架结构的薄弱层破坏。     

中国古建筑木结构模型的振动台试验研究

通过一殿堂木结构 1∶3 5 2模型的模拟地震振动台试验 ,研究了结构动力特性及地震反应的变化规律。将榫卯和斗拱的力学模型比拟为变刚度弹簧单元 ,进行了动力时程分析。结果表明 ,由于大震下柱底与础石的滑移和榫卯与斗拱的摩擦阻尼作用 ,大幅度减少了上部结构的地震响应。因此 ,中国古建筑木结构具有良好的耗能与减震性能 ,它所蕴涵的受力机理 ,对现代建筑也有一定的借鉴作用。     

两层带水平缝钢管混凝土剪力墙抗震性能试验研究

设计3个两层单跨缩尺比为1∶.3的带水平缝钢管混凝土剪力墙,对其进行拟静力试验,其中2个组合剪力墙按“强剪弱弯”设计,1个按“强弯弱剪”设计,剪跨比均为1.55,分析结构的承载力、破坏机理、滞回性能、刚度退化、延性及耗能能力等。试验结果表明：钢管混凝土暗柱和剪力墙竖向接合面连接可靠,底层钢管出现局部屈曲;组合剪力墙正截面承载力中绝大部分由钢管混凝土暗柱承担,约占底部弯矩75%;组合剪力墙的极限位移角大于1/100,带水平缝组合剪力墙滞回曲线饱满,无明显“捏拢”现象。给出了无轴压力作用下钢管混凝土剪力墙正截面承载力计算方法,其计算值与试验值吻合较好。      

弯剪破坏钢筋混凝土柱的荷载-变形关系

在传统的弯曲截面理论分析方法基础上,结合钢筋混凝土弯剪破坏柱的受力特点,对太平洋地震工程研究中心(PEER)钢筋混凝土柱抗震性能试验数据库中的试验数据进行分析,提出了一种确定弯剪破坏钢筋混凝土偏心受压构件荷载-变形关系的实用方法。研究结果表明:采用该方法计算得到的荷载-变形曲线与试验结果吻合良好,可用于确定地震作用下弯剪破坏钢筋混凝土偏心受压构件恢复力模型的骨架曲线。     

木结构古建筑的抗震性能分析

研究木结构古建筑的抗震性能对保护和开发我国古建筑遗产具有重要意义。本文以抬梁式殿堂型木结构建筑为例,结合试验结果,对其独特的结构形式、工作机制和抗震性能进行了研究,结果表明特殊的台基构造方式,柱根浮搁于础石及榫卯斗的半刚性连接使得木结构古建筑具有较好的抗震消能特性。     

碳纤维布加固古建筑木结构基于结构潜能和能量耗散地震破坏评估

为了评估古建筑木结构加固后的抗震性能以及研究加固结构在各工况地震作用下的破坏过程及对应的破坏状态,基于碳纤维布加固燕尾榫柱架和枓栱铺作层低周反复荷载作用下的滞回特性和能量耗散原理,计算了两耗能元件在低周反复荷载作用下的“抵抗破坏潜能”;借助碳纤维布加固古建筑木结构振动台试验,计算了各工况地震作用下每一耗能元件所耗散的能量,基于构件的“抵抗破坏潜能”和各工况下的地震耗能建立了耗能元件在不同地震作用下的地震破坏评估模型,并借助能量分配系数找出了各耗能元件破坏状态与整体加固结构破坏状态之间的关系,建立了整体加固结构在不同地震作用下的破坏评估模型。应用该地震破坏评估模型,定量计算了碳纤维布加固燕尾榫柱架和枓栱铺作层、整体加固结构在各工况地震作用下的破坏系数,并基于破坏程度,得出了整体加固结构不同破坏系数对应的结构不同震害等级。研究结果可为碳纤维布加固古建筑木结构的震前破坏预测和震后加固古建筑木结构的保护再修复提供可靠的理论依据。     

梁端铰型受控摇摆式钢筋混凝土框架抗震性能振动台试验研究

受控摇摆式钢筋混凝土框架(CR-RCF)采用梁柱铰接节点,后张预应力钢筋提供结构整体恢复力,并采用层间阻尼器耗散地震能量、控制结构整体位移。通过模拟地震振动台对比试验,研究受控摇摆式钢筋混凝土框架的抗震性能。介绍了CR-RCF结构的摇摆机制及摇摆节点的构造形式,设计了受控摇摆式钢筋混凝土框架和常规框架两个振动台试验模型,输入El Centro地震波,得到了不同地震动峰值加速度下结构的动力响应,对比分析了两个模型的振动台试验结果。结果表明：CR-RCF结构较常规框架具有更小的抗侧刚度,故其地震加速度响应更小;CR-RCF结构设置了层间阻尼器耗能装置,地震作用下的结构整体位移得到有效控制;在经历罕遇地震作用后,仅层间阻尼器进入屈服状态,主体框架承重构件保持完好,无任何损伤,表现出优异的“免损伤”特征。     

墙体参与工作的木构架古建筑抗震分析方法

针对木构架古建筑抗震分析中常忽略维护墙体作用的问题,进行了墙体与木构架的构造特征、力学性能和布置方案对整体结构抗震性能的影响分析。基于地震灾害统计资料,归纳了墙体与木构架的损伤特征,及其对古建筑总体震害程度的表述方法。运用动力特性现场实测和有限元分析方法,研究了墙体对古建筑基本周期和地震作用的影响程度。研究结果表明,木构架古建筑中的墙体对结构的整体抗震刚度有较大的贡献;包括墙体模型的基本周期与实测基本周期较为接近;而忽略墙体模型的基本周期显著大于实测基本周期,且计算的地震作用值偏不安全。根据古建筑抗震鉴定要求,并考虑砖砌墙体的脆性,提出了基于位移控制的、包括墙体微裂和开裂工作状态的木构架古建筑三阶段抗震分析方法。     

基于摇摆柱的古建筑木结构柱脚节点力学模型研究

在古建筑木结构中,木柱通常直接平摆浮搁于础石之上,形成只有受压而无受拉能力的柱脚节点。在地震作用下,木柱会发生摇摆,柱脚为半刚性节点。为研究地震作用下古建筑木结构柱脚节点的摇摆机理,对柱脚节点的受压状态进行分析,并对木柱的摇摆过程进行分类,给出了不同摇摆过程的判定条件,建立了柱脚节点的弯矩-转角（M-θ）力学模型;通过与柱脚节点的弯矩-转角曲线试验结果进行对比,验证了该力学模型的正确性;将该M-θ力学模型应用于古建筑木结构的地震分析中,分别建立了柱脚半刚性连接和铰接的数值模型,并与振动台试验结果进行对比。研究结果表明：木柱的摇摆过程可分为全截面弹性摇摆、小截面弹塑性摇摆、大截面弹塑性摇摆以及全截面弹塑性摇摆等4类;采用M-θ力学模型得到的柱脚节点弯矩-转角曲线计算结果与拟静力试验结果的差异在10%以内;与铰接的柱脚节点相比,采用柱脚半刚性连接计算的古建筑木结构在地震作用下的动力响应更接近振动台试验结果,结构的加速度峰值、位移峰值与振动台试验结果的差异均在20%以内。     

铺作层布置对古建筑木结构抗震性能的影响#br#

古建筑木结构中斗栱形制及补间铺作斗栱的布置有清晰的历史演变规律。为研究斗栱的尺度从大到小、补间铺作的斗栱数量由少到多的变化对古建筑木结构抗震性能的影响,以饶益寺大佛殿和保国寺祥符殿的铺作层布置为参照,设计出4种不同铺作层布置的数值模型,并对其进行地震作用下的动力时程分析,研究不同铺作层布置的模型在不同地震激励作用下柱脚、普拍枋顶面、斗栱顶面的加速度和位移反应。研究结果表明：在水平地震作用下,柱脚、普拍枋顶面、斗栱顶面的加速度依次减小。当斗栱的尺度减小后,铺作层对地震动加速度的衰减作用降低,侧向变形能力也减小。当斗栱的尺度不变,布置数量越多、布置越规整,铺作层对地震动加速度的衰减作用越强,柱架层及铺作层的侧向变形也减小。在强震作用下,斗栱的尺度减小后,额枋榫头及馒头榫处的应力虽均有增大,但馒头榫处的应力增加更明显。     

古建筑木结构屋盖振动台试验及数值模拟

以殿堂型木结构屋盖为研究对象,通过振动台试验以及ANSYS数值模拟对屋盖的动力响应进行研究,分别得出其在不同工况作用下的加速度最大响应值以及其整体结构的动力放大系数,并将振动台试验数据与数值模拟结果进行比较。研究表明：随着地震作用的增大,屋盖加速度峰值随之增大,整体结构的动力放大系数减小;动力放大系数试验值比ANSYS...     

考虑高台基影响的西安安定门城楼动力特性及地震响应分析

为了准确评估西安安定门城楼的结构特性及抗震性能,采用原位动力特性测试与有限元数值模拟相结合的方法,对城楼进行考虑及不考虑高台基(瓮城东城墙)影响的动力特性及地震响应分析.首先对城楼上部木结构进行原位动力特性测试,获得其自振频率和振型;然后分别建立城楼上部木结构、高台基及整体结构(高台基+木结构)的三维有限元模型,采用模...     

横向水平地震作用下夹层门式刚架的抗震设计

依据建筑空间或功能的要求,经常需要在单层门式刚架建筑中增设夹层。夹层门式刚架在动力特性和地震反应特征上与单层门式刚架有一定区别。讨论了夹层荷载和抗侧刚度对刚架动力特性的影响。采用简化模型,分析了横向水平地震下夹层刚架的地震反应与单层刚架的差异,并针对夹层门式刚架抗震设计提出一些建议。     

古建筑木结构燕尾榫节点力学模型研究

在古建筑木结构中,燕尾榫节点广泛用于水平构件与柱头相交的部位.为了研究古建筑木结构中燕尾榫节点的弯矩-转角(M-θ)力学模型,在分析燕尾榫节点构造特点和受力机理的基础上,建立其数值模型,采用已有的燕尾榫节点试验数据验证了数值模型的正确性.根据受力分析的结果,建立以屈服点、极限点为特征点的双折线多参数M-θ力学模型,给出...     

考虑墙体影响的青城山灵官殿动力特性及地震响应分析

中国西南地区的山地古建筑众多,因其具有柱底不等高约束、抗侧刚度不均匀等结构特征,与平地上古建筑的抗震性能不同.为研究山地古建筑木结构的动力特性和地震响应规律,以青城山灵官殿为研究对象,对结构进行原位动力特性测试,获得其模态参数,并建立无墙体和有墙体数值模型,将有墙体模型的自振频率模拟值与实测值进行对比以验证数值模型的正...     

钢框架内填钢板深梁协同分析

为了满足钢结构房屋刚度一定范围的渐变调幅需要,提高钢结构房屋的抗震性能,提出了一种新型的抗侧力构件———钢板深梁;通过水平低周反复荷载试验对纯钢框架和钢框架内填钢板深梁进行分析,并对结构进行适当简化;通过对2种简化模型进行对比得出较为可行的钢板深梁与钢框架协同分析模型。研究结果表明:内填钢板深梁可以大幅度提高纯钢结构的初始刚度、屈服荷载和极限承载力。