碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)基于結(jié)構(gòu)潛能和能量耗散地震破壞評(píng)估

王豆豆等

摘要：為了評(píng)估古建筑木結(jié)構(gòu)加固后的抗震性能以及研究加固結(jié)構(gòu)在各工況地震作用下的破壞過(guò)程及對(duì)應(yīng)的破壞狀態(tài)，基于碳纖維布加固燕尾榫柱架和枓栱鋪?zhàn)鲗拥椭芊磸?fù)荷載作用下的滯回特性和能量耗散原理，計(jì)算了兩耗能元件在低周反復(fù)荷載作用下的“抵抗破壞潛能”；借助碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，計(jì)算了各工況地震作用下每一耗能元件所耗散的能量，基于構(gòu)件的“抵抗破壞潛能”和各工況下的地震耗能建立了耗能元件在不同地震作用下的地震破壞評(píng)估模型，并借助能量分配系數(shù)找出了各耗能元件破壞狀態(tài)與整體加固結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)之間的關(guān)系，建立了整體加固結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的破壞評(píng)估模型。應(yīng)用該地震破壞評(píng)估模型，定量計(jì)算了碳纖維布加固燕尾榫柱架和枓栱鋪?zhàn)鲗印⒄w加固結(jié)構(gòu)在各工況地震作用下的破壞系數(shù)，并基于破壞程度，得出了整體加固結(jié)構(gòu)不同破壞系數(shù)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)不同震害等級(jí)。研究結(jié)果可為碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)的震前破壞預(yù)測(cè)和震后加固古建筑木結(jié)構(gòu)的保護(hù)再修復(fù)提供可靠的理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：古建筑木結(jié)構(gòu)；抵抗破壞潛能；能量耗散；地震破壞評(píng)估；破壞系數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU366.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2013）06010309

古建筑是中國(guó)民族歷史文化的重要組成部分，它的形成和發(fā)展從不同側(cè)面反映了中國(guó)各個(gè)歷史時(shí)期的政治、經(jīng)濟(jì)、藝術(shù)以及科學(xué)文化狀況，這其中，木結(jié)構(gòu)古建筑作為中國(guó)古代建筑的主流，被廣泛應(yīng)用在宮殿、廟宇、民居、樓閣等建筑中，是歷史發(fā)展的見(jiàn)證和民族文化興衰潮汐之映射，是不可再生的珍貴的歷史文化遺產(chǎn)[1]。但是對(duì)于現(xiàn)存的古建筑木結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，千百年的歷史傳承中受到了自然力和人為的破壞，材料發(fā)生腐朽、蟲(chóng)蛀、老化以及結(jié)構(gòu)或構(gòu)件發(fā)生破壞，再加上多年來(lái)對(duì)其保護(hù)不夠重視、年久失修，使得現(xiàn)存古建筑木結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)處于不同程度的殘損狀態(tài)，其健康安全狀況不容樂(lè)觀并有進(jìn)一步惡化的趨勢(shì)，有的已處于危險(xiǎn)狀態(tài)甚至瀕臨損毀[23]。但是由于木材資源相對(duì)匱乏以及中國(guó)保護(hù)文物的政策性要求，不可能大面積地采用替換新材的方法來(lái)修繕和改造破壞的木結(jié)構(gòu)古建筑。因此，對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)合理的修繕保護(hù)已迫在眉睫，而對(duì)加固后各構(gòu)件及整體結(jié)構(gòu)的抗震性能研究也成為古建筑木結(jié)構(gòu)修繕保護(hù)的關(guān)鍵工作。為了能夠合理地評(píng)估古建筑木結(jié)構(gòu)加固后的抗震性能以及研究加固結(jié)構(gòu)在各工況地震作用下的破壞過(guò)程及對(duì)應(yīng)的破壞狀態(tài)，本文提出了一種能夠客觀評(píng)價(jià)加固后木結(jié)構(gòu)地震破壞程度的方法。

通過(guò)碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在枓栱鋪?zhàn)鲗右约爸荛久?jié)點(diǎn)發(fā)生滑移前，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件不斷吸收外部輸入的能量，結(jié)構(gòu)基本處于彈性階段，這個(gè)過(guò)程中結(jié)構(gòu)將少量的能量轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和彈性勢(shì)能儲(chǔ)存；而開(kāi)始滑移之后，結(jié)構(gòu)或這兩部分耗能元件進(jìn)入彈塑性階段，塑性變形和阻尼使得地震輸入能不斷被釋放和耗散導(dǎo)致結(jié)構(gòu)也逐漸出現(xiàn)不同程度的破壞。也就是說(shuō)，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的破壞過(guò)程實(shí)質(zhì)上是能量耗散和釋放的過(guò)程，而結(jié)構(gòu)或構(gòu)件最終的破壞是因?yàn)榈卣疠斎氲哪芰肯蚪Y(jié)構(gòu)或構(gòu)件釋放的過(guò)程受到抑制[46]。因此，對(duì)于碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)的破壞是因?yàn)闁挅礓佔(zhàn)鲗踊蛱祭w維布加固燕尾榫柱架的破壞不斷加劇而導(dǎo)致。鑒于此，借助碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及碳纖維布加固燕尾榫柱架和四鋪?zhàn)鳀挅頂M靜力試驗(yàn)，基于耗能元件在低周反復(fù)荷載作用下所表現(xiàn)出的“構(gòu)件抵抗破壞潛能”以及整體結(jié)構(gòu)在地震作用下各種工況下所耗散的地震能量，建立了古建筑木結(jié)構(gòu)各耗能元件及整體結(jié)構(gòu)在不同工況地震作用下的地震破壞評(píng)估模型，并結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行破壞分析，以期能夠客觀地反映木結(jié)構(gòu)古建筑的實(shí)際震害等級(jí)。

1.2碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)的構(gòu)件破壞評(píng)估

為了定量地評(píng)估2個(gè)耗能元件在不同工況地震作用下的破壞程度，結(jié)合碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，采用本文提出的構(gòu)件破壞評(píng)估模型對(duì)碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)中的柱架榫卯節(jié)點(diǎn)和枓栱鋪?zhàn)鲗釉诘卣鹱饔孟碌钠茐某潭冗M(jìn)行分析。

通過(guò)對(duì)碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)的動(dòng)力響應(yīng)分析，得出了碳纖維布加固燕尾榫柱架層和枓栱鋪?zhàn)鲗釉诟鞣N工況地震作用下的地震剪力和層間位移，并根據(jù)公式（4）和（5）分別計(jì)算出了碳纖維布加固整體結(jié)構(gòu)的2個(gè)耗能元件在地震過(guò)程中的累積滯回耗能（如圖4所示）。

2.1整體加固結(jié)構(gòu)地震破壞評(píng)估模型

根據(jù)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果分析得出，地震作用下古建筑木結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌（圖7（a））之后的破壞情況如圖7（（b）～（i））所示。從圖中可以看出，東北角燕尾榫節(jié)點(diǎn)和西北角燕尾榫節(jié)點(diǎn)破壞相當(dāng)嚴(yán)重，卯口發(fā)生斷裂，且發(fā)生脫榫現(xiàn)象；東南角和西南角燕尾榫節(jié)點(diǎn)卯口局部出現(xiàn)豎向裂縫，但并未發(fā)生脫榫現(xiàn)象；東北榫頭縱向開(kāi)裂，其余榫頭沒(méi)有出現(xiàn)破壞；普拍枋在倒塌過(guò)程中被折斷；柱頭饅頭榫在水平反復(fù)地震荷載作用下發(fā)生彎曲擠壓破壞；枓栱在水平反復(fù)荷載作用下，主要破壞情況為暗榫的彎曲擠壓破壞，而枓栱本身并未發(fā)生較大破壞；梁、柱構(gòu)件基本完好。

未加固結(jié)構(gòu)模型經(jīng)過(guò)首次振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)倒塌破壞之后，根據(jù)試驗(yàn)中的破壞情況，分別對(duì)圖7出現(xiàn)的不同破壞形態(tài)按照加固規(guī)范的規(guī)定[13]進(jìn)行加固或者替換修復(fù)：將劈裂的榫頭、卯口以及節(jié)點(diǎn)區(qū)域的外表面用丙酮清洗干凈，以除去破損處以及外表面的污物，待丙酮完全揮發(fā)后，涂敷配套的樹(shù)脂粘結(jié)劑，再用碳纖維布將受損的節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行包裹拼裝成加固模型如圖8所示。各節(jié)點(diǎn)采用同一規(guī)格的、相同數(shù)量（層數(shù)、長(zhǎng)度）的材料（碳纖維布和粘結(jié)劑）以及相同的加固方法，保證結(jié)構(gòu)的各節(jié)點(diǎn)松緊程度盡量一致；同樣對(duì)普拍枋破損處用用丙酮清洗干凈后，再涂敷配套的樹(shù)脂粘結(jié)劑將其粘好；對(duì)枓栱鋪?zhàn)鲗雍椭^由于擠壓導(dǎo)致破壞的榫頭進(jìn)行更換處理，然后將修復(fù)加固后的模型重新拼裝如圖9所示，并對(duì)加固后試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行模擬地震動(dòng)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究。

3結(jié)論

借助碳纖維布加固燕尾榫柱架和枓栱鋪?zhàn)鲗拥臄M靜力試驗(yàn)以及整體加固結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，計(jì)算出了兩耗能元件在低周反復(fù)荷載作用下所具有的“抵抗破壞潛能”和各工況地震作用下每一耗能元件所耗散的能量，并基于構(gòu)件/結(jié)構(gòu)的“抵抗破壞潛能”和能量耗散原理建立了碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)各構(gòu)件及整體加固結(jié)構(gòu)在不同工況地震作用下的地震破壞評(píng)估模型，為碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)的震前破壞預(yù)測(cè)和加固古建筑木結(jié)構(gòu)的保護(hù)再修復(fù)提供可靠的理論依據(jù)。主要結(jié)論有以下幾點(diǎn)：

1）碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)在小震作用下的主要耗能元件為碳纖維布加固柱架榫卯節(jié)點(diǎn)，但隨著地震強(qiáng)度的增大，榫卯節(jié)點(diǎn)破壞逐漸加劇，枓栱鋪?zhàn)鲗臃謸?dān)的地震能量越來(lái)越多。

2）利用構(gòu)件地震破壞評(píng)估模型，定量地計(jì)算出了碳纖維布加固燕尾榫柱架以及枓栱鋪?zhàn)鲗釉诟鞴r地震作用下的破壞系數(shù)，碳纖維布加固燕尾榫柱架由于粘合榫卯本身的弱承載力以及碳纖維布的單一受力性能，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)強(qiáng)度為800 gal時(shí)，節(jié)點(diǎn)幾乎完全退出工作，破壞系數(shù)接近于1；而枓栱鋪?zhàn)鲗蛹词乖?度罕遇地震作用下，其破壞系數(shù)也僅僅在034左右，屬于輕微破壞。

3）基于能量分配系數(shù)建立的碳纖維布加固古建筑木結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)地震破壞評(píng)估模型，較好地計(jì)算出了整體加固結(jié)構(gòu)在各工況地震作用下的破壞情況，與試驗(yàn)現(xiàn)象基本符合，并基于破壞程度，得出了整體加固結(jié)構(gòu)不同破壞系數(shù)對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)不同震害等級(jí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李誡（宋）. 營(yíng)造法式[M]. 上海：商務(wù)印書(shū)館，1954.

[2]謝啟芳. 中國(guó)木結(jié)構(gòu)古建筑加固的試驗(yàn)研究及理論分析[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2007.

[3]張鵬程. 中國(guó)古代木構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)及其抗震發(fā)展研究[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2003：8287.

[4]Tanahashi H，Suzuki Y. Elastoplastic Pasternak model simulation of static and dynamic loading tests of traditional wooden frames [C]// World Conference on Timber Engineering WCTE 2010， Riva del Garda， Italy， vol. 2， 2010： 476485.

[5]Seo J， Choi I， Lee J. Static and cyclic behavior of wooden frames with tenon joints under lateral load [J]. Journal of Structural Engineering， 1999， 125（3）： 344349.

[6]Suzuki Y， Maeno M. Structural mechanism of traditional wooden frames by dynamic and static tests [J]. Structural Control and Health Monitoring， 2006， 13： 508522.

[7]JGJ 101-96 建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

[8]邱法維，錢(qián)稼茹，陳志鵬. 結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)方法[M]. 北京：科學(xué)出版社，2000.

[9]薛建陽(yáng)， 趙鴻鐵， 張鵬程. 中國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2004，37（6）：611.

[10]隋. 中國(guó)古代木構(gòu)耗能減震機(jī)理與動(dòng)力特性分析[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2009：7497.

[11]隋，趙鴻鐵，薛建陽(yáng)，等.中國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)鋪?zhàn)鲗优c柱架抗震試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，44（1）：5057.

[12]姚侃. 木結(jié)構(gòu)古建筑的結(jié)構(gòu)特性及抗震性能研究[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)，2006：127139.

[13]GB 50165-92 古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992.

[14]于琦，孟少平，吳京.基于變形與能量雙重準(zhǔn)則的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)地震損傷評(píng)估[J].土木工程學(xué)報(bào)，2011，44（5）：1623.

[15]Park Y J， Ang A H S. Mechanistic seismic damage model for reinforced concrete [J].Journal of Structural Engineering，1985，111 （4）：722739.

（編輯羅敏）