損傷古建筑木構(gòu)架抗震性能退化機理的研究

古建筑木結(jié)構(gòu)由于年代久遠，普遍存在材性劣變、結(jié)構(gòu)損傷、抗震性能大幅下降等問題。借助應力波儀、針阻儀等現(xiàn)代設(shè)備對古建木構(gòu)損傷進行檢測；人工模擬干濕交替變化、日光曝曬、菌蟲腐變等環(huán)境影響因子對木材的影響，研制了帶有不同類型、不同程度的損傷試件；對試件進行材性、抗震性能試驗與理論分析研究，取得了預期研究成果。 （1）分別對帶有不同孔洞、裂縫損傷的試件進行微鉆試驗，得到相應損傷對應的微鉆阻力圖譜，對杉木清材試件進行試驗，擬合出可用于檢測古建筑木材密度、彈性模量、強度與微鉆阻力的關(guān)系式。 （2）對損傷試件進行材性試驗，結(jié)合超微觀察、傅立葉紅外光譜分析、XRD衍射分析的試驗結(jié)果，定義木材損傷度等級，分析不同類型、不同程度損傷對木材力學性能變化，建立了杉木材性退化本構(gòu)關(guān)系模型。 （3）對損傷古木節(jié)點進行靜載、低周往復加載試驗，得到不同程度損傷木節(jié)點連接各部位的受力傳力特征、M-θ滯回曲線、節(jié)點工作機制與耗能機理，擬合出損傷對木節(jié)點剛度退化、節(jié)點耗能的影響。 （4）對損傷木梁、木柱進行靜載、低周往復加載試驗，得到不同損傷程度下木構(gòu)件的F-Δ滯回曲線、以及損傷木構(gòu)件的破壞形態(tài)。進一步分析得到了木構(gòu)件的骨架曲線、剛度退化曲線、等效黏滯阻尼曲線，擬合出損傷木對構(gòu)件抗震性能的影響。 （5）對損傷木構(gòu)架進行動力特性、低周往復加載試驗，得到如何利用脈動法確定木構(gòu)架損傷位置的方法、F-Δ滯回曲線、以及損傷木構(gòu)架的結(jié)構(gòu)響應、局部構(gòu)件破壞形態(tài)，進一步分析了木構(gòu)架的骨架曲線、剛度退化曲線、等效黏滯阻尼曲線，擬合出損傷構(gòu)件對木構(gòu)架抗震性能的影響。 （6）結(jié)合典型古木構(gòu)建筑，對古木建筑抗震性能提升與修復保護方法進行了拓展研究，對古木建筑的損傷節(jié)點、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的局部更新、加固修復、整體復位糾偏，及其對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，進行了理論研究。 課題研究成果可為保護損傷古建木構(gòu)文化遺產(chǎn)、改善其抗震防災性能，提供理論支撐。 2100433B

現(xiàn)存古建木構(gòu)普遍存在碳化、裂縫、蛀蝕、壓潰、斷裂等損傷問題，導致其結(jié)構(gòu)性能下降，是古建木構(gòu)抗震性能評價與維護研究的難點。本項目基于古木材與構(gòu)件損傷和變形特征的調(diào)研和評估，通過模擬復雜交變環(huán)境與負載工況，研制損傷試驗模型；以材料試驗為基礎(chǔ)，研究古木材性特征與受載變化模型；對非受損和不同種類損傷狀態(tài)下的柱子、梁枋、榫卯節(jié)點進行靜動載試驗，分析節(jié)點在地震作用下的承載特性和傳載機制、木構(gòu)件的剛度和承載力指標；對比分析非受損和損傷節(jié)點、構(gòu)件的基本力學性能和退化程度，分別給出強度、承載力、剛度與損傷參數(shù)的變化關(guān)系；建立木構(gòu)架有限元模型，研究殘損古建木構(gòu)在地震作用下的極限變形、承載力與破壞模式，給出地震作用下的位移/轉(zhuǎn)角與應力/承載力相關(guān)性曲線；分析各類節(jié)點與構(gòu)架的變形、破壞及其分布、時序等，建立古建木構(gòu)損傷模型。項目預期成果可為保護損傷古建木構(gòu)文化遺產(chǎn)、改善其抗震性能，提供理論支撐、技術(shù)參數(shù)與途徑。

大型復雜結(jié)構(gòu)地震災變機理的分析理論是當前和今后結(jié)構(gòu)抗震研究的熱點和難點。課題組圍繞大跨混凝土橋梁地震災變機理和抗震性能，進行了理論研究和試驗驗證。研究內(nèi)容涉及：1）文獻分析，指出當前大型復雜橋梁結(jié)構(gòu)地震災變研究手段的局限性；2）理論模型，根據(jù)大跨橋梁震害機理分析的需求，發(fā)展了基于損傷本構(gòu)理論模型的分析方法，給出了計算大型橋梁地震損傷分析的纖維梁模型；3）數(shù)值算法，發(fā)展了基于變分理論的損傷本構(gòu)算法，編制了基于大型商業(yè)軟件的二次開發(fā)子程序；4）考慮結(jié)構(gòu)災變過程中的多重非線性效應（材料、幾何、損傷以及阻尼、支座等邊界非線性）；5）試驗驗證，根據(jù)理論研究是需要，設(shè)計了21個正方形實心和空心、矩形空心截面橋墩模型，進行了擬靜力試驗研究，關(guān)于試驗過程的數(shù)值模擬顯示，給出的理論模型是合理的。 2100433B

結(jié)構(gòu)地震災變機理的描述方法決定了抗震性能分析手段的選擇，而結(jié)構(gòu)地震災變源于大變形、材料非線性及材料剛度的降低。常用的彈塑性時程分析方法雖然可以考慮幾何及材料非線性效應，卻無法考慮損傷效應。本項目擬在材料的應力應變層次上考慮損傷問題，建立滿足熱力學定律的損傷本構(gòu)模型，通過Lagrange動力分析方法開發(fā)損傷梁單元，推導基于自由能等效原理的地震損傷指標公式。結(jié)合數(shù)值模擬、擬靜力和振動臺實驗，對大跨度橋梁地震災變機理和災變過程進行精細化分析。主要研究內(nèi)容包括：（1）延性構(gòu)件損傷的擬靜力和振動臺實驗研究，分析構(gòu)件的損傷機理和性能目標；（2）損傷梁單元的動力分析模型和計算方法；（3）基于損傷的性能抗震設(shè)計理論和方法。通過上述研究，深入揭示大跨橋梁地震災變的物理機制，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供一種基于損傷的性能抗震分析手段，實現(xiàn)對大跨度橋梁地震災變的合理有效控制，提升大跨橋梁的抗震減災能力。