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。     

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。     

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。     

故宫太和殿动力特性与常遇地震响应

为更好地保护故宫太和殿,采用有限元分析方法,研究了太和殿的动力特性及常遇地震作用下的响应。采用弹簧单元模拟榫卯节点及斗拱构造,并考虑柱础为铰接,建立了太和殿有限元模型。通过模态分析,获得了太和殿基频及主振型;通过对模型进行时程分析,获得了典型节点的位移、加速度响应曲线,以及典型单元的内力响应曲线,评价了太和殿的抗震性能。结果表明:太和殿基频为0.9Hz,主振型以平动为主;常遇地震作用下,太和殿能保持稳定振动状态,结构的内力和变形均在容许范围内,且斗拱及榫卯节点均能发挥一定的减震作用。     

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。     

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.     

滚珠式文物展柜隔震装置性能试验

为有效减小馆藏浮放文物的震害,研制了一款滚珠式文物展柜水平隔震装置。制作了2个文物展柜模型,并在各模型内浮放文物仿品。分别考虑文物展柜底部安装隔震装置、展柜底部浮放地面,进行了振动台对比试验,检测了隔震装置的效果。结果表明:与非隔震条件相比,隔震体系的基频减小,阻尼比增大;地震作用下,隔震体系中的文物仿品产生的位移、加速度峰值明显减小。但是隔震条件下,文物仿品的动力放大系数仍有大于1的情况,且隔震装置的复位能力尚需提高。建议对隔震装置采取的改进措施主要适当减小基频、增大阻尼比、提高加工精度等。     

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。     

传统铁箍墩接法加固底部糟朽木柱轴压试验

铁箍墩接是古建木柱柱根糟朽的一种传统加固方法。为探讨该方法的有效性,以故宫内某古建木柱为例,进行了试验研究。制作了1根完好木柱、3根铁箍墩接法加固木柱,开展了轴压试验,获得了木柱加固前后的承载力-变形曲线,以及延性、应变、刚度等参数,讨论了铁箍墩接法的加固机理。结果表明:传统铁箍法加固底部糟朽木柱后,由于铁箍对木柱的侧向约束作用,木柱的极限承载力可恢复约91.8%,延性性能可恢复约95.2%,水平极限应变恢复率约97.2%,竖向极限应变恢复率约84.1%,且加固木柱的刚度要大于完好木柱。由于铁箍材料与木材强度差别较大,使得加固后木柱的整体性能要低于完好木柱,因而加固效果有限。结果可为古建筑木结构的保护与维修提供理论参考。     

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.