历史建筑木结构基于可靠度理论的剩余寿命评估方法研究

论文摘要

我国的历史建筑木结构在设计、建造等方面具有明显的独特性,是我国建筑史上珍贵的历史文化遗产,具有极高的历史、文化和艺术价值。但是由于数百年的风化及自然界生物(包括昆虫和微生物)的侵害,存在不同程度的腐朽虫蛀和干裂现象,许多建筑严重破损,甚至消失。因此,研究古木结构的抗力衰减规律,即研究木材腐朽、虫蛀、干缩裂缝和持续荷载效应的时变规律、突发事件对古木结构的抗力的影响程度、古木结构的抗力衰减的数学模型,对历史建筑木结构的寿命延续具有重要指导意义。本文以影响历史建筑木结构剩余寿命的各种因素为出发点,系统研究了各个因素的影响机理、数学模型和木构件多因子抗力随机时变模型,以及历史建筑木结构的剩余寿命预测等问题。本文在已有的木构件持续荷载效应的强度损伤累积模型的基础上,通过考虑年温湿度变化的影响,对木材短期损伤累积模型进行了改进,得到可以进行长期强度预测的损伤累积模型;并对损伤累积模型进行积分修正,得到考虑持续荷载效应的木构件长期强度衰减模型,使其与剩余寿命预测的抗力理论相一致。在总结已有的研究成果的基础上,将澳大利亚Leicester R.H等人提出的虫蛀木构件的四阶段随机模型进行了修正,转换为基于抗力理论的两阶段模型;根据虫蛀特点,提出了以虫蛀面积损伤变量衡量虫蛀的严重程度,并根据试验和调查统计结果给出了虫蛀面积损伤变量的变化规律;推导了虫蛀木构件的抗力衰减模型,为历史建筑木结构的现状评价和剩余寿命预测奠定了基础。针对木构件在结构中的不同部位和受力特点,提出了根据腐朽等级考虑腐朽引起的材料强度衰减和有效截面损失的方法。然后据此推导了各类构件的腐朽抗力衰减模型,采用国内经验公式推导了抗弯腐朽木梁和地面上木柱的随机时变抗力模型;采用澳大利亚的地下木材的腐朽深度—时间模型,推导了初始抗力为正态分布的随机变量的墙内木柱的随机时变抗压承载力模型,并采用该模型对某历史结构的木梁进行了剩余寿命预测。根据木材气干过程中木材含水率变化和裂缝开展的试验数据,建立了裂缝深度与含水率、裂缝深度与时间的拟合曲线,并通过有限元方法模拟分析单双面裂缝对构件抗力的影响程度,裂缝相对深度与构件抗力之间的关系;从而得到干缩裂缝对木构件长期抗力影响的数学模型。综合以上各个单因子抗力衰减模型,并假定虫蛀、腐朽、长期荷载效应和干缩裂缝为相互独立的随机变量,应用随机理论,得到了木构件在这些因素的共同作用下的多因子抗力衰减模型。为了考虑服役历史木结构本身所具有的抗力变化的历史信息对未来抗力发展的影响,本文采用Bayesian方法,用实测数据对已建立的抗力影响因子的随机时变模型进行了修正。编制了历史建筑木结构的剩余寿命预测程序,该程序应用有限元方法计算结构中构件的应力水平,用MATLAB软件计算构件抗力衰减模型,两者结合实现对结构的剩余寿命预测,最后分别对某历史建筑木桁架、某殿堂式木结构进行了剩余寿命预测,验证了该程序的可行性。总之,本课题的研究突破以往对历史建筑木结构维护的经验方法,为历史建筑木结构的长期维护和维修加固提供了一种更为科学的预测手段。应用这种方法,可以更科学地确定历史建筑定期维护的时间,经济合理地延长历史建筑的寿命,具有可持续发展的战略意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 土木工程结构剩余寿命预测的研究现状
• 1.2.1 材料和构件层面的研究成果
• 1.2.2 理论方法
• 1.3 木结构的耐久性和剩余寿命预测的研究现状
• 1.3.1 木材强度的持续荷载效应
• 1.3.2 木材虫蛀腐朽预测模型
• 1.3.3 木材干缩裂缝的研究现状
• 1.3.4 木结构耐久性分析和寿命预测方法
• 1.4 历史建筑木结构的耐久性和剩余寿命预测研究现状
• 1.4.1 国内研究现状
• 1.4.2 国外研究现状
• 1.5 目前研究的不足之处
• 1.6 本文的主要研究工作
• 第二章 历史建筑木结构的力学性能和损毁规律
• 2.1 引言
• 2.2 历史建筑木结构的构造特点
• 2.3 历史建筑木结构各构件的力学性能及简化模型
• 2.3.1 历史建筑木构架中的梁与柱
• 2.3.2 榫卯连接的简化模型
• 2.3.3 柱与基础的连接
• 2.3.4 斗栱在木结构中的作用
• 2.3.5 历史建筑木结构的大屋顶
• 2.4 影响历史建筑木结构耐久性的因素
• 2.4.1 木材的持续荷载效应
• 2.4.2 历史建筑木结构的腐朽
• 2.4.3 历史建筑木结构的虫蛀
• 2.4.4 干缩裂缝对历史建筑木结构的影响
• 2.5 历史建筑常见的几种残损状况
• 2.5.1 柱架的残损部位及特点
• 2.5.2 梁架的残损部位及特点
• 2.5.3 铺作层的残损部位及特点
• 2.5.4 屋顶的残损部位及特点
• 2.6 本章小结
• 第三章 持续荷载下木构件的残余强度模型
• 3.1 引言
• 3.2 持续荷载下木材强度降低的微观工作机理
• 3.3 持续荷载下木构件的损伤累积模型
• 3.3.1 Gerhards模型
• 3.3.2 Barrett and Foschi模型
• 3.3.3 Foschi and Yao模型
• 3.3.4 考虑含水率变化影响的木材的强度损伤累积模型
• 3.3.5 考虑温湿度影响的木材的强度损伤累积模型
• 3.4 基于损伤累积模型的强度衰减模型的推导
• 3.4.1 不考虑温湿度影响的强度衰减模型的推导
• 3.4.2 考虑温湿度影响的强度衰减模型的推导
• 3.5 历史建筑木桁架的剩余寿命预测
• 3.5.1 有限元模型
• 3.5.2 内力分析
• 3.5.3 安全性评价和剩余寿命预测
• 3.6 本章小结
• 第四章 腐朽木构件的残余强度预测模型
• 4.1 引言
• 4.2 木材腐朽机理
• 4.3 腐朽对木材力学性质的影响
• 4.4 木材腐朽深度—时间模型
• 4.4.1 地下木材的腐朽预测模型
• 4.4.2 与土壤接触的暴露木材的腐朽预测模型
• 4.4.3 地面以上不与土壤接触的木材
• 4.4.4 防腐木材的腐朽模型
• 4.5 腐朽木构件的抗力衰减模型的建立
• 4.5.1 腐朽木梁的随机时变抗力模型
• 4.5.2 地面上腐朽木柱的随机时变抗力模型
• 4.5.3 墙内木柱的随机时变抗力模型
• 4.6 基于可靠度指标的腐朽木梁剩余寿命预测
• 4.6.1 可靠度理论基础
• 4.6.2 腐朽木梁剩余寿命预测
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于随机理论的虫蛀构件抗力模型
• 5.1 引言
• 5.2 木材虫蛀的澳大利亚模型
• 5.2.1 木结构虫蛀的影响因素
• 5.2.2 虫蛀与木结构寿命的关系
• 5.2.3 白蚁蛀蚀木结构的随机模型
• 5.3 修正木材虫蛀模型
• 5.4 虫蛀木构件的抗力随机时变模型
• 5.4.1 轴心受压虫蛀构件的随机抗力模型
• 5.4.2 抗弯木梁的随机抗力模型
• 5.5 工程实例分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 干缩裂缝构件的剩余强度模型
• 6.1 引言
• 6.2 历史建筑木结构常见的开裂形式
• 6.2.1 柱头受压劈裂
• 6.2.2 柱身劈裂
• 6.2.3 大梁劈裂
• 6.2.4 普拍枋等构件的劈裂
• 6.3 木材干缩裂缝形成机理及影响因素
• 6.3.1 木材干缩裂缝形成机理
• 6.3.2 影响因素
• 6.4 干缩裂缝深度—时间模型
• 6.5 带干缩裂缝的抗弯木梁的模拟试验
• 6.5.1 模型设计
• 6.5.2 DC模型弹塑性分析
• 6.5.3 SC模型弹塑性分析
• 6.5.4 SBC模型弹塑性分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 历史建筑木结构多因子随机时变抗力模型及应用
• 7.1 引言
• 7.2 结构抗力的统计特征
• 7.3 基于强度理论的木结构多因子随机时变抗力模型
• 7.3.1 基于强度理论的木结构抗力随机时变模型
• 7.3.2 材料强度的随机时变模型
• 7.3.3 木构件截面几何特性的随机时变模型
• 7.3.4 木构件抗力随机时变模型
• 7.4 基于BAYESIAN方法的木结构多因子随机时变抗力分析
• 7.4.1 随机变量分布参数统计的Bayesian方法
• 7.4.2 基于Bayesian方法和实测数据的抗力因子概率特性分析
• 7.5 历史建筑木桁架的剩余寿命预测
• 7.5.1 历史建筑木桁架各构件的实测数据
• 7.5.2 基于可靠度历史建筑木桁架的剩余寿命预测
• 7.6 历史建筑梁柱木结构的剩余寿命预测
• 7.6.1 某殿堂式梁柱木结构概况
• 7.6.2 梁柱木结构的有限元模型及实测数据
• 7.6.3 基于可靠度殿堂式木结构的剩余寿命预测
• 7.7 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 结论
• 8.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表和完成的论文
• 作者攻读博士学位期间参与的研究项目
• 致谢