古代夯土建筑动力响应及抗震保护

论文摘要

中国是世界上四大文明古国中唯一历史延绵不断的国家。在这漫长的历史长河中,中华民族的祖先在适应自然、改造自然的过程中留给我们大量的遗物、遗址、遗迹。古代夯土建筑就是众多历史遗存中比较璀璨的一类,其作为人类文明信息的一个实体数据库,包含丰富的历史文化信息,需要广大学者去保存和解读。古代夯土建筑主要分布在人口稀少、地震烈度高的干旱半干旱区,它们遭受着巨大的、潜在的地震毁灭威胁。本文进行了夯土建筑遗址动力效应方面的研究工作,主要有以下几方面。(1)楠竹加筋复合锚杆是土遗址特性及现代锚固技术相结合的产物,其由楠竹、粘结剂与钢绞线复合为一体,楠竹的内腔安放有钢绞线,楠竹与钢绞线之间充填内粘结剂。该锚杆较传统锚杆有较大的截面积,可以获得较大的锚固力,其防腐能力较高。另外竹木质材料能体现古代人民在建筑方面的首选木质材料的思想,其符合文物保护的特殊要求。本文自行设计复合锚杆室内静力学试验试件,分别进行了复合锚杆的压缩、拉拔和弯曲试验。压缩试验结果显示,楠竹加筋复合锚杆1：1和1：2试件抗压强度分别为72.08MPa和43.48MPa,弹性模量分别是5.29GPa和5.25GPa,径高比1：1试件抗压强度高于1：2试件,有箍筋试件强度高于无箍筋试件。箍筋的存在一定程度上限制了复合锚杆的横向变形,对内部材料的约束作用致使整体强度有所提高。锚杆形态特征不同,其压缩破坏特征有所差异,但均有完整的弹性、强化和软化三个阶段。锚杆的压缩破坏呈现腰折和灯笼装散裂两种模式。楠竹加筋复合锚杆钢绞线与内粘结剂的粘结滑移分为弹性强化阶段、软化下降阶段、残余应力阶段三个阶段。对钢绞线与内粘结剂界面粘结滑移特性描述的模型中,精确模型可以较准确地描述粘结滑移的全过程力学行为,简化模型则忽视了短暂的软化阶段。内粘结剂与钢绞线界面上的剪切应力分布存在明显的峰值,离加载段较近的地方应力值较大,随着荷载逐渐增大,应力峰逐渐向远离加载端的方向移动。内粘结剂与钢绞线界面上的最大平均剪切应力随锚杆长度的增加呈指数衰减规律。锚杆在正常工作时存在弯曲受力状态,根据锚杆的弯曲试验得其弯曲强度为40.05MPa,弯曲模量为1.38GPa。锚杆试件的着力点对应位置应变最小,远离着力点位置应变不断增大。同一试件在弯曲过程中,楠竹与内粘结剂界面上的应变比钢绞线与内粘结剂界面上的大。在试验中发现锚杆弯曲率大于2%时将发生内粘结剂开裂,因此在锚杆吊装时,易多点捆绑保持锚杆直线吊装,以免锚杆内部界面出现脱粘现象。(2)在室内制作能代表夯土建筑遗址的模型墙体进行模拟地震振动台试验,模型分为未锚固夯土墙体和木锚杆锚固夯土墙体。在振动台试验中,利用锤击法对墙体进行自振频率测定。随着加载过程,模型墙体的自振频率不断下降。由墙体加速度傅里叶谱可以看出,台面上输入的地震波卓越频率,经墙体介质传播后,发生了显著的变化,结构对地震波的高频段有放大现象,墙顶对地震波的傅里叶谱放大幅度较大。在模型结构临近破坏时,破坏的墙体加速度傅里叶谱值急剧升高,对两个模型墙体其破坏时最大谱值点均是出现在台面输入加速度的卓越频率段。模型墙体的加速度随着台面输入荷载的增大而增大,且沿着墙体高度方向被逐渐放大。在使用Taft波和EI centro波加载过程中,木锚杆锚固墙体的加速度始终大于未锚固墙体。输入荷载较小时,加速度放大系数随着台面加速度的增大而增大,随着输入地震波加速度的增大,损伤不断积累加深,结构刚度逐渐下降,自振频率减小,阻尼增大,模型动力放大系数也逐渐减小。木锚杆锚固墙体墙顶的加速度放大系数在上升段和下降段均大于未锚固墙体墙顶的加速度放大系数。在分别用两种波交替加载的过程中,锚固墙体墙顶对Taft波作用下加速度的放大最大达182.9%,而对EI centro波达到130.5%。随着台面输入加速度的增大,模型墙体的位移逐渐增大,且沿着高度方向被明显放大。在加载至467.81gal时,两面墙体在底部同时出现第一条裂缝,当荷载至563.52gal时,未锚固墙体的位移突增,而发生破坏。锚固墙体是当加载至688.40gal时,墙体顶部位移陡增,裂缝扩展而发生破坏。墙体顶部位移角总体趋势为未锚固墙体的位移角大于锚固墙体。两面墙体开裂位置基本相同,均出现在最低一层夯筑层间界面处。未锚固墙体在相对台面位移达到3.11mm后发生破坏,锚固墙体在7.75mm后发生破坏,其变形能力提高幅度达到149%。由两面墙体的破坏荷载来看,木锚杆锚固墙体的最大承载力至少比未锚固墙体提高22%,木锚杆锚固墙体延性和承载力要优于未锚固墙体。(3)利用有限元程序对现场模型建模并进行数值计算,通过改变锚固参数研究其动力特性。锚固与未锚固墙体各阶振动形态基本相同,锚杆的植入未大幅改变墙体的固有属性,模型主要振动形态为第一阶。简化模型的自振频率均大于考虑薄弱层模型的自振频率,植入木锚杆的墙体各阶自振频率大于未植木锚杆墙体,在墙体中木锚杆对墙体的面置换率越高,其自振频率也越高。同一荷载下,模型墙体的加速度沿着高度不断增大,在墙顶产生了明显的鞭梢效应。简化模型的正向加速度以线性方式均匀增加,负向峰值加速度的增长过程为三段式。在考虑薄弱层模型中,其正负向峰值加速度的增长为两段式。模型的峰值位移沿着高度逐渐增大,增大的速率沿着高度也是逐渐在增大,峰值位移的增大沿高度方向呈非线性变化,没有明显的分段,正向峰值位移的增长速率要大于负向位移的增长速率。通过应力云图分析,模型第一阶的最大应力区均出现在模型底部,且薄弱层部位应力也较大。对同一模型,剪应力在同一振型下小于拉应力,由此也可断定结构的破坏是弯曲而导致的薄弱面拉裂破坏。在锚固模型中,木锚杆上的应力最大。由位移云图来看,位移随着模型墙体高度升高而增大,相同高度产生的位移基本相同,模型下部小位移带较宽,而越向上位移梯度变化越快,梯度也越大。(4)对比振动台试验规律和数值模拟规律,模型在插入木锚杆后,模型的顶端峰值位移较未锚固模型会有一定程度的降低,而峰值加速度会有一定程度的升高。在数值计算中发现木锚杆对模型墙体面置换率越高,其位移降低的越多,加速度升高的幅度越大。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 中国古代夯土建筑概况
• 1.1.1 古代夯土建筑分布
• 1.1.2 古代夯土建筑价值
• 1.1.3 古代夯土建筑病害
• 1.2 选题依据及意义
• 1.2.1 选题依据
• 1.2.2 选题意义
• 1.3 主要研究内容和技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 1.4 关键问题及创新点
• 1.4.1 关键问题
• 1.4.2 创新点
• 第二章 古代夯土建筑相关研究
• 2.1 古代夯土建筑的保存现状
• 2.1.1 古代夯土建筑的特点
• 2.1.2 古代夯土建筑的保存现状
• 2.2 古代土质建筑保护研究现状
• 2.2.1 古代土质建筑保护研究概况
• 2.2.2 古代土质建筑保护研究方向
• 2.3 古代土质建筑破坏与地震的关系
• 2.3.1 夯土建筑地震破坏
• 2.3.2 古代夯土建筑地震响应研究
• 2.4 土层锚杆
• 2.4.1 土层锚杆介绍
• 2.4.2 土层锚杆工作机理
• 2.4.3 土层锚杆加固机理
• 2.4.4 土层锚杆承载力影响因素
• 2.4.5 土遗址加固锚杆
• 2.5 模拟地震试验发展
• 2.5.1 模拟地震试验方法
• 2.5.2 模拟地震振动台
• 2.5.3 地震模拟振动台试验
• 2.5.4 土体模型模拟地震试验发展
• 2.6 有限元数值模拟方法
• 2.6.1 有限元数值模拟原理
• 2.6.2 有限元数值模拟发展
• 2.7 本章小结
• 第三章 新型土层锚杆-楠竹加筋复合锚杆
• 3.1 楠竹加筋复合锚杆应用背景
• 3.1.1 传统锚固技术与土遗址锚固保护
• 3.1.2 土遗址锚固锚杆特性
• 3.2 楠竹加筋复合锚杆制作工艺
• 3.2.1 制作材料
• 3.2.2 制作工艺
• 3.3 锚杆静力学性能研究
• 3.4 压缩性能试验
• 3.4.1 试件设计制作及试验过程
• 3.4.2 压缩模量及强度测定
• 3.4.3 压缩破坏试验分析
• 3.5 拉拔性能
• 3.5.1 试件设计制作及试验过程
• 3.5.2 粘结滑移试验结果
• 3.5.3 粘结滑移微分分析
• 3.5.4 界面剪切应力分布及其变化
• 3.6 弯曲性能
• 3.6.1 试件设计制作及试验过程
• 3.6.2 弯曲应力传递规律
• 3.6.3 弯曲强度试验分析
• 3.7 复合锚杆系统
• 3.7.1 复合锚杆系统
• 3.7.2 复合锚杆整体特性
• 3.8 楠竹加筋复合锚杆锚固夯土墙体可行性分析
• 3.8.1 中国古代土质建筑结构强度加强技术
• 3.8.2 现代结构强度提高的方法
• 3.8.3 锚固技术应用于加固古代夯土建筑的可行性
• 3.9 本章小结
• 第四章 夯土墙体模拟地震振动台试验
• 4.1 现场模型墙体
• 4.1.1 现场模型墙体制作
• 4.1.2 现场模型墙体拟进行的试验
• 4.2 室内试验墙体
• 4.2.1 室内试验墙体参数
• 4.2.2 室内试验墙体的相似条件
• 4.2.3 室内试验墙体设计
• 4.2.4 墙体底板制作及墙体夯筑
• 4.3 模型墙体加固
• 4.3.1 木锚杆锚固
• 4.3.2 裂缝加固
• 4.4 模拟地震试验方法及条件
• 4.4.1 振动台试验原理
• 4.4.2 试验设备
• 4.4.3 输入荷载
• 4.4.4 测试元件及数据采集
• 4.5 试验方案及过程
• 4.5.1 测点布置
• 4.5.2 加载方案
• 4.6 动力特性
• 4.6.1 敲击法测定墙体动力特性
• 4.6.2 加速度响应谱分析
• 4.7 加速度响应
• 4.8 位移响应
• 4.9 墙体结构地震响应综合分析
• 4.9.1 不同波作用下的地震响应
• 4.9.2 结构的破坏模式
• 4.9.3 模型结构性能
• 4.10 本章小结
• 第五章 夯土墙体地震响应数值分析
• 5.1 ANSYS有限元计算程序
• 5.1.1 ANSYS软件介绍
• 5.1.2 ANSYS模拟结构地震响应
• 5.2 结构动力分析
• 5.2.1 单自由度体系
• 5.2.2 多自由度体系
• 5.2.3 广义单自由度体系
• 5.3 有限元模型
• 5.3.1 数值计算模型设计及材料参数选择
• 5.3.2 考虑薄弱层模型建立
• 5.3.3 简化模型建立
• 5.4 模态分析
• 5.4.1 模态分析方法
• 5.4.2 考虑薄弱层模型模态分析
• 6.4.3 简化模型模态分析
• 5.5 模型时程分析
• 5.5.1 加速度响应时程
• 5.5.2 位移响应时程
• 5.6 结构应力及变形分析
• 5.6.1 应力分析
• 5.6.2 变形分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 夯土墙体锚固设计优化
• 6.1 优化模型设计
• 6.1.1 改变木锚杆布置间距
• 6.1.2 改变木锚杆布置数量
• 6.1.3 改变木锚杆直径
• 6.2 优化模型模态分析
• 6.3 优化模型时程分析
• 6.3.1 加速度响应
• 6.3.2 位移响应
• 6.3.3 应力及变形分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与研究展望
• 7.1 结论
• 7.1.1 古代夯土建筑现状
• 7.1.2 土遗址加固锚杆-楠竹加筋复合锚杆
• 7.1.3 模拟地震振动台试验
• 7.1.4 地震响应数值分析
• 7.1.5 锚固技术应用于夯土建筑抗震保护
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 在学期间的研究成果
• 致谢