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.     

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。     

清式木建筑透榫节点加固方法的试验研究

我国传统木结构建筑的各构件间主要采用榫卯连接,这种节点形式在较大水平地震作用下容易出现局部拔榫、节点松脱现象,不利于结构的稳定和承载。为此针对榫卯节点的抗震性能及加固进行试验研究。依据清工部《工程做法则例》设计制作了4个足尺透榫节点试件,其中3个试件分别采用竹斜撑、角钢和碳纤维(简称CFRP)布进行加固。在改进榫卯节点拟静力试验装置的基础上完成了低周反复荷载试验,分析了对比节点和加固节点的破坏机理、承载力、延性、刚度退化、耗能和榫头拔出过程。试验结果表明,竹斜撑、角钢和CFRP布加固节点的正向峰值荷载较对比节点分别提高了92.4%、54.6%和63.0%,反向峰值荷载则分别提高了61.5%、75.7%和39.0%。对比节点和角钢加固节点初期刚度基本相同,且随转角增加出现先增大后减小的过程;竹斜撑加固和碳纤维布加固节点的初始刚度显著大于对比节点,随着转角的增加呈单调减少。此外,竹斜撑和角钢加固节点的榫头拔出长度明显小于相同转角下对比节点的榫头拔出长度,表明竹斜撑和角钢均起到了延缓榫头拔出的作用。     

基于脱榫状态的古建筑木结构燕尾榫节点试验研究

为对古建筑木构架的安全性评价提供依据,通过对脱榫状态下的燕尾榫进行静力试验研究,分析得到残损状态下的木构架力学性能。按照预加载-加载的试验方案对构架进行试验。通过对试验数据的分析,得出了节点主要破坏形式、脱榫量对构架破坏的影响、极限承载力及极限荷载的取值方法并结合理论分析试验数据。     

南方地区古建筑木结构的整体性残损点指标研究

古建筑木结构的残损点指标是对古建筑木结构进行结构安全评估和加固修缮设计的重要指标,目前主要依据1992年制定的《古建筑木结构维护与加固技术规范》(GB 50165—92)中的规定,为了对该规范中的构架整体性残损点指标进行验证和补充,本研究通过对南方地区传统的穿斗木构体系和抬梁木构体系的典型榫卯节点和构架的试验研究,得出两种木构体系结构的整体性关键残损点指标,并与GB 50165—92规范进行比较分析。结果表明:规范规定的抬梁式木构架和穿斗式木构架的局部倾斜残损点比试验结果小,规范值偏于安全。规范中规定的抬梁式木构架梁柱榫卯连接残损点略小于试验结果,规范值偏于安全;而规范中规定的穿斗式木构架梁柱榫卯连接残损点对于燕尾榫穿斗木构而言是安全的,但对于透榫穿斗木构而言,则是不安全的。     

故宫古建筑结构可靠性问题研究

为保护故宫古建筑,采用归类汇总与理论分析相结合的方法,研究了故宫古建筑木结构的典型残损问题。基于大量现场勘查及理论分析结果,对故宫古建筑存在的典型可靠性问题进行了分类汇总,分析了产生这些问题的原因,提出了可行性加固建议。通过典型算例,对古建筑木结构加固方法进行了深入论证。结果表明:故宫古建筑木结构的柱子、斗栱、榫卯节点、梁架、屋顶、墙体等各部位都容易产生开裂、糟朽、变形、拔榫等可靠性问题并影响结构整体的稳定性能,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;针对不同的可靠性问题,采取合理有效的加固方法,可提高古建筑结构整体的稳定性能。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

Rotational behavior of degraded traditional mortise-tenon joints: experimental tests and hysteretic model

This article presents the results of an experimental study on the rotational behavior of degraded Chinese traditional mortise-tenon joints with different degradation types and different degradation degrees. Six joint specimens degraded through artificially simulated method, were tested by reversed cyclic loading, from which the moment-rotation curves were obtained. The results indicated that the rotational behavior of these joints is semi-rigid, the hysteretic curve shapes of degraded joints are same to that of joint without degradation. The maximum moment, yield moment, and initial rotational stiffness of degraded joints decreases as the degraded degree increases, whose empirical degradation relationships were obtained based on the test data. A hysteretic model for degraded traditional mortise tenon joints was proposed. Experimental results were used to validate the proposed hysteretic model. Good agreement between predictions and tests was observed.     

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。     

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。     

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。