损伤古建筑木构架抗震性能退化机理的研究

古建筑木结构由于年代久远，普遍存在材性劣变、结构损伤、抗震性能大幅下降等问题。借助应力波仪、针阻仪等现代设备对古建木构损伤进行检测；人工模拟干湿交替变化、日光曝晒、菌虫腐变等环境影响因子对木材的影响，研制了带有不同类型、不同程度的损伤试件；对试件进行材性、抗震性能试验与理论分析研究，取得了预期研究成果。 （1）分别对带有不同孔洞、裂缝损伤的试件进行微钻试验，得到相应损伤对应的微钻阻力图谱，对杉木清材试件进行试验，拟合出可用于检测古建筑木材密度、弹性模量、强度与微钻阻力的关系式。 （2）对损伤试件进行材性试验，结合超微观察、傅立叶红外光谱分析、XRD衍射分析的试验结果，定义木材损伤度等级，分析不同类型、不同程度损伤对木材力学性能变化，建立了杉木材性退化本构关系模型。 （3）对损伤古木节点进行静载、低周往复加载试验，得到不同程度损伤木节点连接各部位的受力传力特征、M-θ滞回曲线、节点工作机制与耗能机理，拟合出损伤对木节点刚度退化、节点耗能的影响。 （4）对损伤木梁、木柱进行静载、低周往复加载试验，得到不同损伤程度下木构件的F-Δ滞回曲线、以及损伤木构件的破坏形态。进一步分析得到了木构件的骨架曲线、刚度退化曲线、等效黏滞阻尼曲线，拟合出损伤木对构件抗震性能的影响。 （5）对损伤木构架进行动力特性、低周往复加载试验，得到如何利用脉动法确定木构架损伤位置的方法、F-Δ滞回曲线、以及损伤木构架的结构响应、局部构件破坏形态，进一步分析了木构架的骨架曲线、刚度退化曲线、等效黏滞阻尼曲线，拟合出损伤构件对木构架抗震性能的影响。 （6）结合典型古木构建筑，对古木建筑抗震性能提升与修复保护方法进行了拓展研究，对古木建筑的损伤节点、构件、结构的局部更新、加固修复、整体复位纠偏，及其对结构抗震性能的影响，进行了理论研究。 课题研究成果可为保护损伤古建木构文化遗产、改善其抗震防灾性能，提供理论支撑。 2100433B

现存古建木构普遍存在碳化、裂缝、蛀蚀、压溃、断裂等损伤问题，导致其结构性能下降，是古建木构抗震性能评价与维护研究的难点。本项目基于古木材与构件损伤和变形特征的调研和评估，通过模拟复杂交变环境与负载工况，研制损伤试验模型；以材料试验为基础，研究古木材性特征与受载变化模型；对非受损和不同种类损伤状态下的柱子、梁枋、榫卯节点进行静动载试验，分析节点在地震作用下的承载特性和传载机制、木构件的刚度和承载力指标；对比分析非受损和损伤节点、构件的基本力学性能和退化程度，分别给出强度、承载力、刚度与损伤参数的变化关系；建立木构架有限元模型，研究残损古建木构在地震作用下的极限变形、承载力与破坏模式，给出地震作用下的位移/转角与应力/承载力相关性曲线；分析各类节点与构架的变形、破坏及其分布、时序等，建立古建木构损伤模型。项目预期成果可为保护损伤古建木构文化遗产、改善其抗震性能，提供理论支撑、技术参数与途径。

大型复杂结构地震灾变机理的分析理论是当前和今后结构抗震研究的热点和难点。课题组围绕大跨混凝土桥梁地震灾变机理和抗震性能，进行了理论研究和试验验证。研究内容涉及：1）文献分析，指出当前大型复杂桥梁结构地震灾变研究手段的局限性；2）理论模型，根据大跨桥梁震害机理分析的需求，发展了基于损伤本构理论模型的分析方法，给出了计算大型桥梁地震损伤分析的纤维梁模型；3）数值算法，发展了基于变分理论的损伤本构算法，编制了基于大型商业软件的二次开发子程序；4）考虑结构灾变过程中的多重非线性效应（材料、几何、损伤以及阻尼、支座等边界非线性）；5）试验验证，根据理论研究是需要，设计了21个正方形实心和空心、矩形空心截面桥墩模型，进行了拟静力试验研究，关于试验过程的数值模拟显示，给出的理论模型是合理的。 2100433B

结构地震灾变机理的描述方法决定了抗震性能分析手段的选择，而结构地震灾变源于大变形、材料非线性及材料刚度的降低。常用的弹塑性时程分析方法虽然可以考虑几何及材料非线性效应，却无法考虑损伤效应。本项目拟在材料的应力应变层次上考虑损伤问题，建立满足热力学定律的损伤本构模型，通过Lagrange动力分析方法开发损伤梁单元，推导基于自由能等效原理的地震损伤指标公式。结合数值模拟、拟静力和振动台实验，对大跨度桥梁地震灾变机理和灾变过程进行精细化分析。主要研究内容包括：（1）延性构件损伤的拟静力和振动台实验研究，分析构件的损伤机理和性能目标；（2）损伤梁单元的动力分析模型和计算方法；（3）基于损伤的性能抗震设计理论和方法。通过上述研究，深入揭示大跨桥梁地震灾变的物理机制，为结构设计提供一种基于损伤的性能抗震分析手段，实现对大跨度桥梁地震灾变的合理有效控制，提升大跨桥梁的抗震减灾能力。