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残损对木结构古建筑相关力学性能的影响

2019-01-05 11:40:30

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  我国古建筑历史悠久,其中以木结构古建筑占大多数。现存木结构古建筑在自然因素和人为因素的综合影响下不同程度地出现了构架歪闪、糟朽、开裂、节点抜榫等残损现象[1].文中分析了影响木结构古建筑几种残损的特点,根据对北京市历史文化名村灵水村木结构古建筑现场检测情况和已有研究成果,初步探讨了残损对木结构古建筑相关力学性能的影响,并针对性地提出有效的加固方法。

  1 木结构古建筑残损

  (1) 木结构的开裂。木结构古建筑在选材上大量采用湿木,在使用过程中会产生干缩和湿涨的效果,产生干缩裂缝[2].干缩裂缝普遍存在于木结构古建筑各种构件。木结构古建筑中的主要构件还承受着各种外力作用,往往在柱身和梁身会产生劈裂裂缝,见图 1(a) .

  (2) 木结构的糟朽。木结构古建筑的一些构件长期处在潮湿环境中,真菌作用会产生糟朽,糟朽主要存在柱根、屋架支座、梁柱节点等处,见图 1(b) .

  (3) 梁柱节点脱榫。榫卯连接是我国木结构古建筑梁柱的主要连接方式,在使用过程中由于各种作用木结构古建筑普遍存在脱榫现象,见图 1(c) .

  (4) 木构架歪闪。木结构古建筑构件本身变形很小,大多数木构架歪闪是由节点脱榫或松动、基础下沉等引起[4],见图 1(d) .

  上述木结构古建筑残损、分布及其力学性能影响见表 1 所示。

  2 残损对木结构古建筑力学性能的影响

  2. 1 开裂对木结构力学性能影响

  我国现存木结构古建筑普遍存在开裂,对灵水村木结构古建筑开裂柱进行应力波检测(图 2) ,检测发现木柱开裂严重削弱木柱受力截面面积,木柱受力截面面积的减小将降低木柱的承载力和整体稳定性。

  试验发现完整木柱在荷载作用下截面应变基本符合平截面假定,而开裂木柱随着荷载的增大,开裂两肢应变分布差异变大,截面应变不符合平截面假定,开裂木柱大多表现为偏心受压破坏,裂缝柱的最终破坏是由某一侧肢控制,单肢破坏导致整个柱破坏; 对于开裂木梁,试验研究表明单根木梁在水平方向完全开裂变成两根梁,在所受外弯矩不变时,梁内受弯正应力峰值急剧变大,容易发生受弯破坏[6].

  2. 2 糟朽对木结构力学性能影响

  对灵水村木结构古建筑柱根糟朽部位进行应力波检测表明(图 3) ,柱根糟朽使得柱根受力截面明显变小,从而削弱了截面的抗侧刚度和弹性模量,在地震荷载作用下,柱根部截面应力幅值变大,极容易造成柱根的折断[7],从而影响木结构整体安全; 梁柱节点处糟朽降低节点传力能力,容易导致节点脱榫、松动、刚度变小,加大木结构整体变形,榫卯有效截面减少还可能造成局压破坏。文献[8]研究了故宫抚辰殿东北角梁糟朽后弯曲受力性能,由于老角梁有足够的截面尺寸,糟朽后剩余角梁截面仍满足抗拉、抗弯、抗剪要求,但糟朽的存在极大地降低了梁的弯曲受力性能。

  2. 3 脱榫对木结构力学性能影响

  脱榫削弱了梁与柱之间的联系,使得节点转动刚度变小,在外界竖向力和水平力的作用下将导致木结构古建筑木构架倾斜、歪闪,严重影响结构的整体稳定性[7].对节点脱榫进行试验研究,研究发现梁柱节点脱榫的木构架在竖向荷载较小时榫头剪应力小于弹性极限,荷载随位移增大而变大,连接刚度达最大;随着荷载的增大榫头受卯口挤压,榫头宽度变小,出现塑性变形,榫头滑移量增大,刚度变小,最后木材局部出现裂缝或劈裂,木材内力重新分布[1].

  2. 4 木构架歪闪对木结构力学性能影响

  木构架歪闪导致外界荷载传递路径不清晰,木柱倾斜,形成附加弯矩,造成木结构古建筑整体结构松散,直接影响木结构的整体稳定性,容易导致木结构连续性倒塌。

  3 针对相关残损的加固方法

  (1) 木结构古建筑开裂加固。当梁、柱开裂不大时可采用嵌补加固法,当梁、柱开裂较大时可用铁件加固法[9].为使施工简单且不影响结构外观可采用纤维增强复合材料 FRP 加固方法[5].

  (2) 木结构古建筑糟朽加固。当柱子仅为表层糟朽,且经验算剩余截面仍能满足受力要求,可剔除糟朽部分,防腐处理后采用嵌补加固法[9].若柱脚腐蚀严重,宜采用墩接柱脚的方法。

  (3) 木结构古建筑脱榫加固。我国传统上采用铁件加固榫卯节点,关于铁件加固榫卯节点的方法现已很多,传统的马口铁加固、Q235 扁钢加固[10]、新型钢构件加固[11],见图 4[12].纤维增强复合材料 FRP 可包裹榫卯节点区域以加固节点,约束节点抜榫[12].

  (4) 木结构古建筑木构架歪闪加固。木构架歪闪主要通过落架大修、打牮拔正的方法。日本对木结构木构架歪闪的加固方法进行了深入的研究,总结出添加胶合板抗震墙,见图 5[2]、增设钢铁构架、增设扶壁柱等方法。上述残损及加固方法见表 2 所示。

  4 结语

  国内外学者运用试验、有限元模拟等方法针对残损对木结构古建筑安全性能的影响开展了部分研究并取得了若干成果。但总体来说相关研究仍处于起步阶段,残损对木结构古建筑力学性能的影响仍有很多方面需要进一步研究,具体有以下几方面。

  (1) 残损下木结构古建筑的有效受力尺寸和截面特性的确定。

  (2) 残损状态的分级及与木构件力学性能的量化联系。

  (3) 残损木结构古建筑的有限元仿真模型构建方法。

  (4) 多种残损共同作用时对木结构古建筑力学性能影响的研究。

  参考文献:
  [1] 吴洋 . 脱榫状态下古建筑燕尾榫节点结构性能研究[D]. 北京: 北京工业大学建筑工程学院,2014.
  [2] 段春辉,郭小东,吴洋 . 基于残损特点的古建筑木结构修复加固[J]. 工程抗震与加固改造,2014,36(1) : 126 -130.
  [3] 李瑜 . 古建筑木结构件基于累积损伤模型的剩余寿命评估[D]. 武汉: 武汉理工大学土木工程与建筑学院,2008.
  [4] 李铁英 . 应县木塔现状结构残损要点及机理分析[D]. 太原:太原理工大学,2004.
  [5] 汤红永 . 纵向干裂木柱的受力性能及其修复加固[D]. 上海:同济大学土木工程学院,2009.
  [6] 周乾 . 古建筑木结构叠合梁与组合梁弯曲受力研究[J]. 建筑结构,2012,42(4) : 157 -161.
  [7] 周乾 . 明清古建筑木结构典型抗震构造问题研究[J]. 文物保护与考古科学,2011,23(2) : 36 -48.
  [8] 周乾 . 古建糟朽角梁抗弯性能数值模拟研究[J]. 文博,2013,(1) : 90 -93.
  [9] 周乾,闫维明,李振宝,纪金豹 . 古建筑木结构加固方法研究[J]. 工程抗震与加固改造,2009,31(1) : 84 -90.

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