单檐歇山式木构古建抵抗极端烈度地震试验调查研究

为更好地保护我国古建筑,基于《单檐歇山式古建筑抗震性能振动台试验》的相关成果,研究了强震作用下我国明清官式木构古建的抗震性能,制作了与该论文相同的试验模型,进行了振动台试验。通过对模型输入烈度逐渐增强的1940年El-centro波,并考虑地震波为水平双向作用,分析了强震作用下不同构造的试验现象,开展了详细的震后调查,获得了不同构造在强震作用下的抗震性能和震害机制。结果表明:强震作用下,我国明清官式木构古建的振动形式表现为柱架、斗拱、梁架及屋顶的近似同步往复摇摆;主要震害包括柱底偏移、榫卯节点开裂、拔榫、斗拱偏移及错位、额枋-垫板分离、墙体倒塌等,但承重木构架受损不严重,结构未产生倒塌。其良好抗震性能的原因与古建筑的构造特征密切相关。     

单檐歇山式古建筑抗震性能振动台试验

为有效保护古建筑,采用振动台试验方法,研究了中国明清官式木构古建的抗震性能。以故宫某单檐歇山木构古建为对象,制作了1∶2缩尺比例模型。模型含浮放柱底、柱架、斗拱、歇山屋顶、墙体等所有构造,且施工工艺完全符合中国明清官式木构古建施工规定。通过施加白噪声激励,获得了模型的基频和阻尼比。通过施加不同强度等级的1940年El-Centro波,获得了模型典型节点的位移和加速度响应,讨论了模型的减震系数,评价了浮放柱底、榫卯节点、斗拱、屋顶、墙体等构造的抗震性能。结果表明:模型的振动形式表现为平面内的扭摆,其原因与歇山式屋顶质量分布不均密切相关。模型的震前基频为1.47Hz,阻尼比为4.6%。地震作用下,模型的位移及加速度响应曲线近似稳定、均匀。尽管屋顶构造则对地震力有一定放大作用,但浮放柱底、榫卯节点、斗拱等构造能发挥较好的耗能减震作用。对于不同构造而言,榫卯节点的减震性能最好,其减震系数可降至0.30;斗拱次之,其减震系数可降至0.53;而浮放柱底与柱顶石之间的摩擦耗能性能最弱,其减震系数最小值为0.66。墙体在地震波强度增大过程中发生倒塌,但不影响结构整体稳定性。因此,单檐歇山式木构古建具有良好的抗震性能。     

基于概率法的木构古建筑地震破坏综合评价方法

为了研究木构古建筑地震破坏状态评估的准确性,应用概率的方法,以结构损伤指数、最大层间位移角作为评价因子,建立了地震破坏综合评价模型,提出了基于概率法的木构古建筑地震破坏综合评价方法。该方法在综合现状分析与实验数据,在一定烈度下计算各种破坏状态等级中每一种破坏状态出现的概率,古建筑地震破坏状态应为概率最大的地震破坏状态,从而比较准确地判别木构古建筑地震破坏程度。并对经受过汶川地震的两种结构形式的古建筑进行了验证,从而验证了该方法的合理性和有效性。这一方法将提高木构古建筑震害预测的准确性,为古建筑抗震加固提供有效的理论支持。     

地震后砖石古建筑损坏状态评价方法研究

历次地震表明,大量的砖石古建筑在地震中遭受到了严重的破坏,对破损的古建筑进行合理的评价对古建筑的加固方案的选择起到了重要的作用;现阶段对震后古建筑的破损状态评价方法往往采取了单一指标的判定,为了提高震后砖石古建筑损坏状态评价的准确性,应用集对分析理论与方法。以地表变形的倾斜变形、水平变形与结构的最大层间位移角为评价因子,建立了损坏评价的集对分析模型,提出了基于集对分析理论的震后砖石古建筑损坏评价方法。该方法将各待评定的样本值与分级标准形成对子．逐个比较其共有特性、相反特性及差异特性,从不同侧面刻画2个集合的联系与关系,从而较为准确的评价震后古建筑的破坏状态。并对经历地震破坏的古建筑进行分析,验证该方法的合理性与科学性。     

馆藏浮放陶瓷文物地震摇晃响应振动台试验

为保护可移动文物,采取试验方法研究了地震作用下馆藏浮放文物的摇晃响应.以故宫某展柜为原型,制作了1∶1比例的模型,并在展柜内放置了一陶瓷文物,进行了振动台试验.通过白噪声激励,获得了展柜的基频;通过输入不同类型、不同强度的地震波,研究了展柜和文物的地震响应;通过数值模拟,从理论上对模型地震响应进行了进一步论证.结果表明:对展柜而言,其基频在29～35 Hz之间,与地震波卓越频率相差较大,因而在地震作用下摇晃不明显;对文物而言,在地震波强度较小时能保持稳定振动状态,而在地震波强度较大时,文物容易产生明显摇晃并导致倾覆.此外,数值模拟结果与振动台试验结果吻合,证明了试验方法的有效性.在实际工程中,对高宽比较大的文物,应采取适当的加固措施,以减轻其摇晃震害.     

上下椽头尾搭接的木构古建筑受力性能的简化计算方法研究

古建筑木结构主要分为抬梁木构体系和穿斗木构体系,其结构布置与连接节点明显不同于现代木结构。为了进一步提高古建筑木结构的结构计算和结构安全评估的工程实用性,对常见木椽的受力性能简化算法、常见拼合檩条的受力性能简化算法、三架梁和五架梁受力性能的简化算法进行研究,并基于动力特性分析,初步提出古建筑木结构典型构架体系在进深方向和面阔方向结构基本自振周期的近似计算模型。研究成果可为古建筑木结构的结构性能计算、结构安全评估以及加固修缮设计提供依据和参考。     

明清古建筑木结构典型抗震构造问题研究

为保护古建筑,采用分类统计方法,研究了我国明清古建筑木结构的典型抗震构造问题。基于大量工程现场勘查结果,对古建筑木结构的典型抗震构造问题进行了归纳汇总,分析了原因,提出了加固建议;基于典型算例,对古建筑木结构加固方法进行了深入论证。结果表明:我国古建筑木结构的柱子、斗棋、榫卯节点、梁架、屋顶等各部位都容易产生开裂、糟朽、变形、拔榫等抗震构造问题并影响结构的抗震性能,而这些问题的产生原因主要与木结构的构造特征、木材材料性质及施工保养等因素有关;对这些抗震构造问题及时采取合理有效的加固措施,可减轻或避免结构产生的震害。     

传统方法加固馆藏浮放文物抗震性能试验

为探索馆藏浮放文物的有效抗震加固方法,采用振动台试验手段,研究了传统方法加固浮放文物的抗震性能。基于故宫博物院某展柜原型尺寸,制作了1:1比例陈列柜模型。在陈列柜内浮放一轻质陶瓷文物,分别考虑采用砂子、塑料卡、鱼线、橡皮泥及磁铁加固文物,进行了振动台试验。通过白噪声激励,获得了陈列柜基频分布;通过输入不同强度、不同类型的地震波,获得了不同方法加固条件下陈列柜和文物的位移响应、加速度响应和和动力放大系数,评价了不同方法的加固效果。结果表明:陈列柜的基频与输入地震波相差较大,这是陈列柜震害不明显的主要原因之一;传统方法加固文物后,输入地震波的加速度仍有一定放大,但是与加固前文物相比,文物的位移和加速度响应均有所减小,且文物因摇晃幅度而产生倾覆的可能性减小。此外,从减小文物加速度响应峰值角度考虑,橡皮泥和鱼线加固文物效果优于其它方法。试验结果可为文物防震保护研究提供较全面的参考。     

基于古建木构文物修缮的木材抗弯性能实验研究

受自然作用、人为因素及材性退化的影响,已有数百年甚至千年历史的古建筑木结构构件及斗栱节点存在不同程度的损伤,需进行合理修缮加固。而在木结构修缮选材中,抗弯弹性模量是需要考虑的一项重要指标。为了找到更合适的古建筑修缮加固用材,本研究选用五种木材进行横纹径向、弦向和斜向抗弯测试,采用力学试验机以及自制的力传感器通过电阻应变采集仪分别记录了五种木材所受力和位移的关系,然后按荷载与位移的关系分别计算出各自的抗弯弹性模量。通过对五种木材抗弯弹性模量的测量与分析,比较了相同含水率的木材抗弯弹性模量随密度的变化情况。试验表明:同种木材不同受弯方向抗弯弹性模量差异较大;与其他木材相比,落叶松不同受弯方向的平均抗弯弹性模量高于其他木材;木材的抗弯弹性模量有随密度增加而增加的趋势。此试验结果可为今后古建木结构的维修与加固以及构件替换提供参考。     

文物古迹的真实性并非唯一的概念

回顾我国的古建筑维修,是从修缮走向维修。修缮实际是指以传统方法补修阙漏,主要的目的是解决古建筑的结构安全和形式完整。也就是当古建筑由于年久失修或者遭受损失时,使其恢复基本的安全形态。这一时期的修复,按照历史的惯性进行,大家并无专门的准则。很多古代的木结构、砖石结构的建筑物都曾在这种精神的指导下进行了修缮。对这类的修缮,主持者多是熟悉和了解传统古建筑的建筑师或者工程师,也有一些是匠师。     

Fast Nonlinear Analysis of Traditional Chinese Timber-Frame Building with Dou-Gon

ABSTRACT

This article presents a study of the applicability of fast nonlinear analytical (FNA) models in predicting the global response of Chinese traditional timber-frame building with Dou-Gon under seismic excitation. Efforts are made to overcome challenges in establishing simplified calculation models, and the corresponding dynamic equations are derived considering the mechanical behavior of sliding column root, mortise-tenon joint and Dou-Gon (bracket sets). Furthermore, nonlinear time-history analysis is conducted under different seismic excitations. Through a verification study, a good correspondence is obtained with previous shake-table test results. Seismic response analysis is also conducted to investigate the energy dissipation of column root sliding, mortise-tenon joint, and Dou-Gon. Subsequently, peak responses of column root and roof under increased values of peak ground acceleration (PGA) are also analyzed. And then, seismic isolation ability and damping characteristics of the model are discussed.     

汶川地震导致的壁画文物震害研究——以广元市觉苑寺大雄宝殿壁画为例

为保护壁画文物,以四川省广元市剑阁县大雄宝殿为例,对汶川地震作用下殿内壁画的震害进行了研究.根据震后勘查结果,讨论了大雄宝殿壁画的典型震害症状,分析了古建筑侧脚构造对壁画抗震的有利影响.根据大雄宝殿壁画加固工艺作法及古建筑榫卯连接特点,建立了大雄宗殿的震前有限元模型.为研究汶川地震作用下壁画的震害特征,首先对其进行了模态分析,然后将模拟汶川地震波进行调幅,然后作用于大雄宝殿进行地震反应分析.通过采用时程分析法,获得了地震作用下不同时刻壁画整体的内力与变形响应峰值,并获得了典型节点的地震响应曲线.结果表明:大雄宝殿壁画开裂与空鼓的主要原因是面层与墙体粘结不牢导致的受拉破坏;地震作用下壁画保持稳定的振动状态;为提高壁画的抗震性能,壁画木框与外墙板间应加强连接,并在空隙处填塞隔震材料,同时应加强壁画本身保养工作.     

汶川地震导致的古建筑震害

为了解汶川地震造成的古建筑震害及对古建筑的保护,根据古建筑震害资料,通过归纳方法,获得了古建筑不同的震害症状：对木结构而言,主要有地基破坏、柱底侧移、柱身倾斜、节点拔榫、装修开裂、梁架歪闪、瓦件掉落、填充墙破坏等;而砖石及砖木结构由于承重材料的抗拉、压、剪强度相对较差,容易产生倒塌等严重震害。在此基础上,通过勘查分析方法,获得了古建筑产生震害的主要原因：地震力过大、古建筑缺乏及时保养与加固、施工原因及砖石材料本身强度差的原因等。针对不同的震害原因,提出了相应的抗震加固建议。在上述工作基础上,得出如下结论：为提高古建筑的抗震性能,应加强对古建筑的维护与加固,及时清除各种隐患,将地震产生的破坏减小到最轻的程度。     

古建筑木构件的防火处理与性能研究

古建筑具有重要的文化价值和经济价值,是重要的不可再生文化遗产。中国的古建筑以木为主要结构,而木结构的耐火等级低,这就造成了中国古建筑面临了一个极大的隐患——火灾,因此对古建筑木构件的防火处理与性能的研究迫在眉睫。为此,试验选取3种不同的木材和5种不同的阻燃剂作为研究对象,首先对涂覆不同阻燃剂的木材进行表观特征测量,然后分别采用热重分析法和扫描电子显微镜测试技术进行表征测试,最后分析阻燃木材的各种力学性能测试。研究结果表明:喷涂阻燃剂的木材其性能效果均优于未喷涂的木材。特别针对未涂油漆的原木构件,可以采用有机磷杂环阻燃剂或磷—氮类阻燃剂;普通油漆的木构件则适用于磷—氮类阻燃剂,而处理桐油木构件应用磷—氮类阻燃剂或阻燃油。     

故宫地下库房文物储藏柜防震措施研究

故宫地下文物库开建于1986年,年代久,防震问题较为突出。为更好解决库房改造中遇到的困难,结合库房现状,研究提出了一种相对较适宜的防震措施。方案里提供的装置主要由夹头、导杆以及阻尼板组成,构造简单且便于安装。为评估其抗震效果,建立了有限元分析模型,并选取了三条地震波进行时程分析。从结果中发现:故宫库房内的独立储藏柜抗震性能较差,九度罕遇地震作用下,储藏柜摇摆剧烈,甚至发生了倾覆。而采用装置后,组合双柜能通过增大的滑移距离更好地耗散掉地震能量,摇摆幅度均明显降低,最大仅为1.64°(El Centro波)。因此,分析结果验证了装置的抗震有效性。     

Simplified Seismic Sidesway Collapse Capacity-Based Evaluation and Design of Frame Buildings with Linear Viscous Dampers

This article describes a simplified procedure for estimating the seismic sidesway collapse capacity of frame building structures incorporating linear viscous dampers. The proposed procedure is based on a robust database of seismic peak displacement responses of viscously damped nonlinear single-degree-of-freedom systems for various seismic intensities and uses nonlinear static (pushover) analysis without the need for nonlinear time history dynamic analysis. The proposed procedure is assessed by comparing its collapse capacity predictions on 272 different building models with those obtained from incremental dynamic analyses. A straightforward collapse capacity-based design procedure is also introduced for structures without extreme soft story irregularities.     

Shaking Table Model Test of a Steel-Concrete Composite High-Rise Building

Shaking table tests were conducted on a 1/20 scaled-model of a 25-story steel-concrete composite high-rise building, composed of steel frame (SF) and concrete tube (CT). The seismic behavior of the model was investigated with the increasing of table-input acceleration amplitudes. It has been found that the seismic failure of the model concentrated on the shear walls and corner columns at the lowest story of the CT as well as the joints between the SF and the CT. Even subjected to extremely strong earthquakes, due to effective composite action, the composite model was able to support its weight to prevent collapse.     

Seismic Protection of the Piers of Integral Bridges using Sliding Bearings

Seismic resilience and continued operation of bridges after earthquakes are important seismic design criteria. A new seismic protection concept for integral bridge piers is explored that uses sliding bearings to separate the superstructure from the piers. The influence of sliding bearings on the seismic response of a representative 3-span integral highway bridge is investigated. With sliding bearings, the pier column shear force was limited to the bearing design friction force. Furthermore, the abutment ductility demands were found to be insensitive to the friction forces in the sliding bearings because the bridge displacement demands were controlled by the equal displacement rule.