損傷古建筑木構(gòu)架抗震性能退化機(jī)理的研究項(xiàng)目摘要

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(dǎo)致其結(jié)構(gòu)性能下降，是古建木構(gòu)抗震性能評(píng)價(jià)與維護(hù)研究的難點(diǎn)。本項(xiàng)目基于古木材與構(gòu)件損傷和變形特征的調(diào)研和評(píng)估，通過模擬復(fù)雜交變環(huán)境與負(fù)載工況，研制損傷試驗(yàn)?zāi)Ｐ?；以材料試?yàn)為基礎(chǔ)，研究古木材性特征與受載變化模型；對(duì)非受損和不同種類損傷狀態(tài)下的柱子、梁枋、榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜動(dòng)載試驗(yàn)，分析節(jié)點(diǎn)在地震作用下的承載特性和傳載機(jī)制、木構(gòu)件的剛度和承載力指標(biāo)；對(duì)比分析非受損和損傷節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件的基本力學(xué)性能和退化程度，分別給出強(qiáng)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(yīng)力/承載力相關(guān)性曲線；分析各類節(jié)點(diǎn)與構(gòu)架的變形、破壞及其分布、時(shí)序等，建立古建木構(gòu)損傷模型。項(xiàng)目預(yù)期成果可為保護(hù)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。

古建筑木結(jié)構(gòu)由于年代久遠(yuǎn)，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(yīng)力波儀、針阻儀等現(xiàn)代設(shè)備對(duì)古建木構(gòu)損傷進(jìn)行檢測(cè)；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(duì)木材的影響，研制了帶有不同類型、不同程度的損傷試件；對(duì)試件進(jìn)行材性、抗震性能試驗(yàn)與理論分析研究，取得了預(yù)期研究成果。 （1）分別對(duì)帶有不同孔洞、裂縫損傷的試件進(jìn)行微鉆試驗(yàn)，得到相應(yīng)損傷對(duì)應(yīng)的微鉆阻力圖譜，對(duì)杉木清材試件進(jìn)行試驗(yàn)，擬合出可用于檢測(cè)古建筑木材密度、彈性模量、強(qiáng)度與微鉆阻力的關(guān)系式。 （2）對(duì)損傷試件進(jìn)行材性試驗(yàn)，結(jié)合超微觀察、傅立葉紅外光譜分析、XRD衍射分析的試驗(yàn)結(jié)果，定義木材損傷度等級(jí)，分析不同類型、不同程度損傷對(duì)木材力學(xué)性能變化，建立了杉木材性退化本構(gòu)關(guān)系模型。 （3）對(duì)損傷古木節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靜載、低周往復(fù)加載試驗(yàn)，得到不同程度損傷木節(jié)點(diǎn)連接各部位的受力傳力特征、M-θ滯回曲線、節(jié)點(diǎn)工作機(jī)制與耗能機(jī)理，擬合出損傷對(duì)木節(jié)點(diǎn)剛度退化、節(jié)點(diǎn)耗能的影響。 （4）對(duì)損傷木梁、木柱進(jìn)行靜載、低周往復(fù)加載試驗(yàn)，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(jìn)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(duì)構(gòu)件抗震性能的影響。 （5）對(duì)損傷木構(gòu)架進(jìn)行動(dòng)力特性、低周往復(fù)加載試驗(yàn)，得到如何利用脈動(dòng)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(yīng)、局部構(gòu)件破壞形態(tài)，進(jìn)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(duì)木構(gòu)架抗震性能的影響。 （6）結(jié)合典型古木構(gòu)建筑，對(duì)古木建筑抗震性能提升與修復(fù)保護(hù)方法進(jìn)行了拓展研究，對(duì)古木建筑的損傷節(jié)點(diǎn)、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)的局部更新、加固修復(fù)、整體復(fù)位糾偏，及其對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，進(jìn)行了理論研究。 課題研究成果可為保護(hù)損傷古建木構(gòu)文化遺產(chǎn)、改善其抗震防災(zāi)性能，提供理論支撐。 2100433B

大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)地震災(zāi)變機(jī)理的分析理論是當(dāng)前和今后結(jié)構(gòu)抗震研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。課題組圍繞大跨混凝土橋梁地震災(zāi)變機(jī)理和抗震性能，進(jìn)行了理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。研究?jī)?nèi)容涉及：1）文獻(xiàn)分析，指出當(dāng)前大型復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)地震災(zāi)變研究手段的局限性；2）理論模型，根據(jù)大跨橋梁震害機(jī)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(jì)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(zāi)變過程中的多重非線性效應(yīng)（材料、幾何、損傷以及阻尼、支座等邊界非線性）；5）試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)理論研究是需要，設(shè)計(jì)了21個(gè)正方形實(shí)心和空心、矩形空心截面橋墩模型，進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)研究，關(guān)于試驗(yàn)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(zāi)變機(jī)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(zāi)變?cè)从诖笞冃?、材料非線性及材料剛度的降低。常用的彈塑性時(shí)程分析方法雖然可以考慮幾何及材料非線性效應(yīng)，卻無法考慮損傷效應(yīng)。本項(xiàng)目擬在材料的應(yīng)力應(yīng)變層次上考慮損傷問題，建立滿足熱力學(xué)定律的損傷本構(gòu)模型，通過Lagrange動(dòng)力分析方法開發(fā)損傷梁?jiǎn)卧茖?dǎo)基于自由能等效原理的地震損傷指標(biāo)公式。結(jié)合數(shù)值模擬、擬靜力和振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，對(duì)大跨度橋梁地震災(zāi)變機(jī)理和災(zāi)變過程進(jìn)行精細(xì)化分析。主要研究?jī)?nèi)容包括：（1）延性構(gòu)件損傷的擬靜力和振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究，分析構(gòu)件的損傷機(jī)理和性能目標(biāo)；（2）損傷梁?jiǎn)卧膭?dòng)力分析模型和計(jì)算方法；（3）基于損傷的性能抗震設(shè)計(jì)理論和方法。通過上述研究，深入揭示大跨橋梁地震災(zāi)變的物理機(jī)制，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一種基于損傷的性能抗震分析手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)大跨度橋梁地震災(zāi)變的合理有效控制，提升大跨橋梁的抗震減災(zāi)能力。