砖石古塔土-结构相互作用理论与应用研究

论文摘要

我国是世界文明古国,砖石古塔是古代高层建筑的杰出代表,体现了我国古代高超的建筑技术,是优秀的历史文化遗产。但由于建造年代久远,自然与人为的破坏,存留至今的砖石古塔大多存在倾斜和结构破坏,本文结合地基的变形理论及土—结构相互作用理论,就砖石古塔的纠偏技术及抗震保护理论进行了研究。主要工作及相关结论如下:1.砖石古塔的地基变形理论分析结合砖石古塔地基体沉降及三相变形理论,将古塔基础的两个边缘分别视为两个面积较小的刚性基础,并假定基础倾斜引起古塔的偏心为小偏心,结合土体中气体的物理状态方程,推导了倾斜古塔地基体沉降的计算公式,并对倾斜砖石古塔的抗倾覆稳定性进行了分析。2.“成孔-软化”纠偏法关键技术研究结合陕西眉县净光寺塔纠偏工程,通过以地基土性参数的改变模拟注水对土体的软化作用,以软化区域的扩大模拟注水量的增加对土体的效应,通过在地基土体中扣除与所成孔的体积相等部分的土体模拟成孔的作用,对净光寺塔纠偏全过程进行了模拟,将计算纠偏量与实际纠偏量进行对比,分析了注水量与纠偏量之间的关系。3.土—结构动力相互作用对砖石古塔的振动特性影响分析结合结构振动理论及土—结构动力相互作用的计算模型,分别建立了西安小雁塔考虑土—结构动力相互作用与不考虑相互作用时的理论计算模型及空间有限元模型,对小雁塔的振动特性进行了分析,并将理论计算结果、数值分析结果与动力测试结果进行了对比分析。4.基于土—结构相互作用理论的砖石古塔地震反应分析结合土—结构动力相互作用理论,分别在不包含相互作用和包含相互作用两种情况下,对西安兴教寺玄奘塔进行了地震反应分析,就土—结构相互作用对砖石古塔地震反应、薄弱层的位置的影响进行了分析。5.砖石古塔抗震性能综合评估方法及抗震加固技术研究结合砖石古塔的历史震害及工程结构的抗震鉴定方法,提出砖石古塔抗震性能的综合评估方法,采用该方法对兴教寺玄奘塔的抗震性能进行了评估,并结合评估结果提出了抗震加固方案。本文的创新之处在于:首次将土—结构相互作用理论引入砖石古塔的纠偏及抗震保护研究之中,为砖石古塔结构保护技术提供了可靠的理论依据。主要创新点有:1.建立了砖石古塔纠偏数值计算模型,实现了古塔纠偏全过程的数值模拟建立净光寺塔纠偏的数值计算模型,通过纠偏控制指标的调整,对该塔纠偏全过程进行了模拟,将计算纠偏量与实测纠偏量进行对比,分析了注水量与纠偏量之间的关系,实现了纠偏全过程的可控性。2.结合土—结构动力相互作用理论,揭示了土—结构相互作用对砖石古塔振动特性及地震反应的影响规律结合土—结构动力相互作用理论,建立了砖石古塔土—结构相互作用系统的理论计算模型与数值分析模型,通过不考虑相互作用和考虑相互作用状况下砖石古塔的振动特性及地震反应分析,给出了土—结构相互作用对砖石古塔振动特性及地震反应的影响规律。3.给出了砖石古塔抗震性能综合评估模型,建立了其综合评估方法通过分析砖石古塔的历史震害与抗震机制,结合工程结构的抗震鉴定方法,建立了砖石古塔抗震性能的综合评估模型,并结合震害调查结果及相关研究,给出了模型中各指标的取值标准及砖石古塔综合评估方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 中国砖石古塔的结构构造
• 1.2.1 砖石古塔的基础形式
• 1.2.2 砖石古塔的结构形式
• 1.3 砖石古塔结构保护的相关研究
• 1.3.1 砖石古塔的纠偏保护
• 1.3.2 砖石古塔的抗震保护
• 1.4 本文主要研究内容及方法
• 参考文献
• 2 黄土地区砖石古塔地基变形分析
• 2.1 引言
• 2.2 黄土的应力-应变关系
• 2.2.1 非线性弹性本构模型
• 2.2.2 弹塑性模型
• 2.3 黄土体沉降的计算
• 2.3.1 体沉降
• 2.3.2 变形空间守恒原则
• 2.3.3 砖石古塔地基的体沉降计算模型
• 2.4 黄土地基变形的三相沉降分析
• 2.5 倾斜砖石古塔地基的三相沉降分析
• 2.5.1 计算模型
• 2.5.2 倾斜砖石古塔地基土沉降分析
• 2.5.3 倾斜砖石古塔结构抗倾覆稳定性分析
• 2.5.4 纠偏技术对基础沉降的影响分析
• 2.5.5 纠偏技术的控制指标分析
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 3 "成孔-软化"法纠偏砖石古塔的全过程有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 工程概况
• 3.2.1 古塔的倾斜状况
• 3.3.2 塔底的揭露调查
• 3.2.3 纠偏方案的选择与比较
• 3.2.4 加固和纠偏
• 3.2.5 古塔结构的抗倾覆稳定性分析
• 3.2.6 纠偏效果
• 3.3 纠偏工程全过程有限元分析
• 3.3.1 纠偏方法的模拟
• 3.3.2 数值计算模型
• 3.3.3 纠偏过程分析
• 3.3.4 计算结果分析
• 3.4 "成孔-软化"法关键技术指标分析
• 3.4.1 成孔
• 3.4.2 注水量
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 4 基于土—结构相互作用的砖石古塔振动特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 砖石古塔土—结构动力相互作用的计算方法
• 4.2.1 土—结构动力相互作用研究方法概述
• 4.2.2 土—结构动力相互作用计算模型分析
• 4.2.3 砖石古塔土—结构动力相互作用的数值计算模型
• 4.2.4 地基边界条件分析
• 4.3 砖石古塔振动特性分析
• 4.3.1 砖石古塔振动理论分析
• 4.3.2 小雁塔结构概况及场地条件
• 4.3.3 不考虑土—结构相互作用古塔结构的振动特性数值分析
• 4.3.4 考虑土—结构相互作用古塔结构的振动特性数值分析
• 4.4 砖石古塔振动特性测试与分析
• 4.4.1 动力测试原理
• 4.4.2 砖石古塔振动特性分析
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 5 基于土—结构相互作用的砖石古塔地震反应分析
• 5.1 引言
• 5.2 玄奘塔结构概况及场地条件
• 5.3 地震波的选取
• 5.4 场地土地震反应分析
• 5.5 不考虑相互作用时古塔的地震反应分析
• 5.5.1 水平向地震反应分析
• 5.5.2 竖向地震反应分析
• 5.6 基于土—结构动力相互作用的古塔地震反应分析
• 5.6.1 水平向地震反应分析
• 5.6.2 竖向地震反应分析
• 5.7 本章小结
• 参考文献
• 6 砖石古塔抗震性能评估及加固方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 砖石古塔的抗震性能
• 6.2.1 砖石古塔震害现象分析
• 6.2.2 砖石古塔的抗震机制分析
• 6.3 砖石古塔抗震性能评估
• 6.3.1 现行砖石古塔抗震性能的评估方法
• 6.3.2 砖石古塔抗震性能的综合评估方法
• 6.3.3 砖石古塔抗震性能综合评估指标分析
• 6.3.4 砖石古塔的抗震加固
• 6.4 兴教寺玄奘塔抗震性能评估
• 6.4.1 抗震性能综合评估
• 6.4.2 抗震验算
• 6.4.3 地震反应分析
• 6.4.4 抗震性能评估结果分析
• 6.4.5 玄奘塔抗震加固方案
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 7 结论与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 需要进一步研究的问题
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文
• 攻读博士学位期间参加的主要科研项目
• 攻读博士学位期间科研获奖情况