故宫太和殿结构现状数值模拟研究

为保护故宫太和殿,采用数值模拟方法,研究了太和殿的结构现状特征。采用ANSYS有限元程序,考虑榫卯节点、斗拱连接等构造,建立了太和殿有限元模型。分别对模型进行自重作用、风荷载作用下的静力分析及8度常遇地震作用下的时程响应分析,获得了太和殿在不同荷载作用下的内力及变形分布特征,评价了太和殿的结构安全现状。结果表明:重力及风荷载作用下,太和殿结构的内力、变形均在容许范围内;地震作用下,结构保持稳定状态,且榫卯节点及斗拱构造有利于减震。因此,太和殿结构现状是安全的。     

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。     

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.     

故宫太和殿二层斗拱竖向加载试验

为了更好地保护古建筑,采取静力试验方法,以故宫太和殿二层平身科、柱头科、角科斗拱为对象,研究了竖向荷载作用下斗拱的受力性能。基于上述3种斗拱构造特征,制作了1∶2比例模型,进行了竖向加载试验,讨论了不同斗拱在荷载作用下的破坏形式、内力及变形特征,归纳了斗拱的竖向刚度计算模型。结果表明:竖向荷载作用下,太和殿二层斗拱的坐斗及与之相交的头翘、正心瓜拱容易产生破坏,且模型倒置时下层构件受力要小于上层构件。对于不同斗拱而言,斗拱极限承载力:平身科角科柱头科;斗拱变形及残余变形量:柱头科角科平身科;斗拱延性:角科柱头科平身科。竖向荷载作用下,太和殿二层斗拱的竖向刚度计算模型可简化为三折线段形式。     

故宫灵沼轩风振响应分析

故宫灵沼轩是一座砌体结构与钢结构组合而成的文物建筑。为有效对其保护,采用数值模拟方法,研究了风振作用下结构的动力响应。基于灵沼轩结构现状,建立了有限元模型。通过模态分析,获得了灵沼轩的基频和主振型;通过对结构施加y向脉动风荷载,研究了重现期为50年时结构的风振特性,评价了结构在风荷载作用下的安全现状。结果表明:灵沼轩结构基频为f=5.75Hz,在x及y向的主振型以局部振动为主;脉动风压作用下,结构保持稳定振动状态,但顶部位置加速度峰值偏大。另风压作用下,砌体结构部分位置的抗拉强度不足,应在日常维护中予以重视;钢结构部分由于材料强度大,因而不会出现强度破坏。     

不同方法加固古建筑榫卯构架抗震试验

为保护古建筑,采用试验方法,研究了不同方法加固榫卯节点后木构架的抗震性能。基于故宫太和殿某开间梁柱节点的具体尺寸,制作了1:8比例的4梁4柱木结构空间框架模型,其中梁和柱考虑为燕尾榫形式连接。采用人工加载方式,进行了低周反复加载试验,研究了马口铁、CFRP布和钢构件加固榫卯节点后对木构架抗震性能的影响。基于试验结果,获得了加固前后构架的力-侧移滞回曲线和骨架曲线,分析了构架耗能能力、刚度退化规律及变形能力,对不同方法加固木构架的抗震效果进行了对比,对其工程应用提出了建议。     

马口铁加固古建筑榫卯节点抗震试验

为保护古建筑,采用试验方法,研究了马口铁加固古建筑榫卯节点后对节点抗震性能的影响.基于故宫太和殿三次间结构原型,制作了1:8缩尺比例的木结构空间框架模型,并考虑梁柱连接为燕尾榫形式,进行了低周反复加载试验,其中未加固构架和马口铁加固构架试验各做了3组.基于试验相关数据,获得了节点的弯矩-转角滞回曲线和骨架曲线,并对比分析了节点加固前后的耗能能力,刚度退化和延性等抗震指标.结果表明:马口铁加固榫卯节点后,虽然节点耗能能力略有下降,但节点拔榫量减小,抗弯承载力提高,刚度退化不明显,且节点仍具有较好的变形能力.因此,马口铁具有较好的加固效果.     

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。     

宁波保国寺大殿风振性能研究

为了更科学地保护我国传统木构建筑,需要研究我国江南地区传统木构建筑的风振性能,为此,以江南地区最古老、保存最完整的佛教木构建筑——保国寺大殿的主殿为例进行风振性能研究。首先基于三维激光扫描获得的真实可靠的保国寺大殿的几何信息,采用SAP2000有限元软件建立主殿的有限元模型,并进行动力特性分析。再利用MATLAB软件编写脉动风速时程,并将风压作用于有限元模型上分析,得到主殿的风振响应。得到结构模态、位移时程曲线、位移谱曲线、加速度响应,并对时程位移风振系数和规范风振系数进行对比。结构的振动响应主要由前三阶振型控制,在强风荷载作用下,最容易出现的变形就是南北向振动、东西向振动和扭转振动;各个典型节点的最大位移均在侧向位移容许值内;迎风面阑额中心位移最大、屋面上半部次之、屋面下半部及檐柱柱头最小;主殿相连的两个部分的加速度相差较多,屋面和屋身的连接节点应成为日后保国寺大殿的保护重点;时程风振系数变化与规范风振系数的变化规律不同是因为结构横向刚度分布不均匀;时程风振系数是规范风振系数的1.2~1.4倍,这是由于按照规范计算风振系数的过程中只考虑了第一阶振型的影响而忽略其他所有振型的结果;规范风振系数的计算只适用于形状、质量沿高度不变的高耸结构,不适用于类似本研究中的低矮木构传统房屋结构。     

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.     

故宫灵沼轩的动力特性及抗震性能研究

故宫灵沼轩是我国最早建造的钢铁-砌体组合结构之一,具有重要的历史、艺术和科学价值。为了评估灵沼轩在地震作用下的结构安全状况,建立了灵沼轩结构的三维有限元模型,并对其进行了动力特性和地震时程分析,得出了其固有频率、模态振型、地震位移响应和地震应力响应。结果表明:灵沼轩整体结构布置对称性较高,扭转刚度较大,对抗震较为有利;在8度多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下,灵沼轩的金属结构部分及砌体结构部分的顶点位移和层间位移角均符合现行规范要求,砌体结构部分的第三主应力响应均小于材料的抗压强度,不存在压溃风险。在8度多遇地震和设防地震作用下,砌体结构部分的第一主应力响应均小于材料的抗拉强度,结构不会发生拉裂。但在8度罕遇地震作用下,砌体结构的部分位置拉应力超过材料的抗拉强度,这些位置存在开裂危险。最后,综合动力特性和抗震性能分析的结果,提出了灵沼轩的抗震加固建议。     

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。     

Experimental Study on Seismic Performance of Through-Tenon Joints with Looseness in Ancient Timber Structures

ABSTRACT

In order to study the influence of looseness on seismic performance of through-tenon joints, six through-tenon joints specimens in 1:3.2 scale, including one tight-fitted joint and five loose joints, were fabricated according to the Engineering Fabrication Methods of Qing dynasty. The failure modes, mechanical behaviors such as the hysteresis and envelope curves, strength and stiffness degradations, energy dissipation, and deformation of the specimens under low cyclic reversed loading tests were analyzed. Results show that the failure modes of theses joints under positive and negative loadings are bending damage on the big tenon head and tearing damage on the variable cross-section, respectively. The hysteresis curves of joints appear to be anti-Z shape and present typical pinching effect. The greater the degree of looseness is, the more obvious the slippage is. The bending moment, stiffness and energy dissipation of loose joints are lower than those of the tight-fitted joint under the same rotation angle, and the increase in the loose degree cause them to gradually decrease. Meanwhile, the behavior of the through-tenon joints is further simulated by the nonlinear finite element analysis program, and the test results agree well with the numerical analysis results.     

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.     

故宫中和殿某中金檩断裂分析

勘查发现,故宫中和殿明间某中金檩在与上部爬梁相交位置出现局部断裂,造成下部中金枋产生较大挠度.为探明该中金檩产生断裂的原因,采取理论计算与数值模拟相结合的方法,对中金檩、中金枋体系进行了分析.基于榫卯连接边界条件的特征,分别考虑中金檩与中金枋叠合、中金檩与中金枋分离、中金檩完全断裂等三种工况,建立了中金檩-枋体系的受力模型,进行了静力分析,获得了中金檩、中金枋的变形及内力分布特征,讨论了中金檩断裂破坏的影响因素.结果表明:由于中金檩在爬梁作用位置截面削弱,造成中金檩自身拉、压、弯承载力不足,从而导致中金檩产生断裂;中金檩与中金枋分离条件下,中金檩断裂造成的中金枋内力增加,且比檩枋叠合条件更明显;中金檩完全断裂后,将造成中金枋内力及变形剧增,威胁中金枋安全.因此,对中金檩采取及时有效的加固措施极其重要.研究结果将为中金枋采取加固措施提供理论参考.     

A Static Nonlinear Procedure for the Evaluation of the Elastic Buckling of Anchored Steel Tanks Due to Earthquakes

Ground-supported steel tanks experienced extensive damage in past earthquakes. The failure of tanks in earthquakes may cause severe environmental damage and economic losses. This study deals with the evaluation of the elastic buckling of above-ground steel tanks anchored to the foundation due to seismic shaking. The proposed nonlinear static procedure is based on the capacity spectrum method (CSM) utilized for the seismic evaluation of buildings. Different from the standard CSM, the results are not the base shear and the maximum displacement of a characteristic point of the structure but the minimum value of the horizontal peak ground acceleration (PGA) that produces buckling in the tank shell. Three detailed finite element models of tank-liquid systems with height to diameter ratios H/D of 0.40, 0.63, and 0.95 are used to verify the methodology. The 1997 UBC design spectrum and response spectra of records of the 1986 El Salvador and 1966 Parkfield earthquakes are used as seismic demand. The estimates of the PGA for the occurrence of first elastic buckling obtained with the proposed nonlinear static procedure were quite accurate compared with those calculated with more elaborate dynamic buckling studies. For all the cases considered, the proposed methodology yielded slightly smaller values of the critical PGA for the first elastic buckling compared to the dynamic buckling results.     

Effects of Base and Lift Joints on the Dynamic Response of Concrete Gravity Dams to Pulse-Like Excitations

Near-fault earthquakes with forward-directivity effects produce pulse-like excitations. This article studies the dynamic response of monolithic and cracked sections of gravity dam under symmetric and anti-symmetric pulse-like excitations. The pulses are generated by the modified Gabor Wavelet transform. Two main characteristics of the pulses are pulse period and amplitude. The prescribed cracks are located along the base and two distinct lift joints through the dam body. The dam is modeled along with its reservoir using finite element method. The effects of base and lift joints, pulses shape, period, and amplitude, and reservoir height on the dam dynamic response are studied.     

水平地震作用下大式带斗栱木结构古建筑的抗倒塌性能分析

基于根据宋代《营造法式》制作的某单层单开间殿堂式木结构振动台模型,建立了考虑柱础滑移隔震、榫卯半刚性连接及斗栱减震性能的空间杆系有限元模型。通过模型的数值计算值与振动台实测数据之间的对比分析,验证了建模方法的正确性。提出了柱脚滑移倒塌的相对位移判定准则及柱架层间倒塌的最大层间位移角判定准则,并采用增量动力分析(IDA)方法对这两种倒塌机制进行研究。结果表明:木结构古建筑在普通地震波作用下不易出现柱脚滑移倒塌;层间倒塌为长周期地震波作用下最易出现的倒塌机制;相对于普通地震波而言,木结构古建筑受长周期地震波作用的影响更大。