强震作用下残损古建筑木结构的倒塌机理及评估方法研究

In this project, the Chinese traditional timber-frame building with Dougon in Qing Dynasty is taken as research object due to its large distribution range, enormous quantity and complex configuration. And the focus is mainly on its collapse mechanism and evaluation method under strong seismic excitation. By means of cyclic loading test and sophisticated FEM modelling, the failure mode, bearing capacity, deformation performance, hysteretic energy dissipation, and the degradation rule of strength and the stiffness will be studied on typical mortise-tenon joint under various damage (loose) degrees. And the restoring force model of loose joint will be established. Then, a timber-frame building specimen with Dougon and damaged structural components will be fabricated and experimented under multi-component seismic excitations. The dynamic response, failure pattern, ductility, energy dissipation capacity, dynamic disaster progress and the final collapse mechanism will be analyzed. A sophisticated FEM model will be put forward considering damage joint, restoring force characteristics of the components and nonlinear dynamic behaviors in the process of collapse. The structure’s collapse vulnerability will be analyzed by means of Incremental Dynamic Analysis method, and the Collapse Margin Ratio will be calculated. On this basis, the collapse evaluation method of damaged traditional timber-frame building will be proposed. The research results of this project will provide technical basis for the protection and renovation of existing traditional timber-frame buildings.

本项目以现存古建筑木结构中分布范围最广、数量最多、形制构造最为复杂的清代大式带斗栱建筑为研究对象，重点研究该结构体系在强震作用下的倒塌机理及其评估方法。通过不同残损（松动）程度下典型榫卯节点的低周反复荷载试验及精细化有限元建模分析，研究其破坏形态、承载能力、变形性能、滞回耗能、强度与刚度退化规律等性能指标，建立松动节点的恢复力模型。进行清代大式带斗栱结构残损模型在多维地震动输入下的振动台试验，分析其动力反应、破坏特征、延性、耗能、动力灾变过程及最终的倒塌机制；提出可以综合考虑节点残损、构件恢复力特性及倒塌过程中非线性行为的精细化有限元分析模型，采用增量动力分析方法进行结构的倒塌易损性分析，研究不同参数对结构抗倒塌能力及倒塌机制的影响程度，计算得到结构抗倒塌能力储备系数，在此基础上，构建残损古建筑木结构倒塌性能评估方法。本项目研究成果可为现存古建筑木结构的修缮保护提供技术依据。

以我国现存数量最多的大式带斗拱古建筑木结构为主要研究对象，深入研究了残损古建筑木结构的地震倒塌机理和评估方法，主要内容如下：.（1）进行了松动透榫和燕尾榫节点抗震性能试验研究，全面深入的研究了松动榫卯节点滞回性能和耗能能力；考虑转动过程中榫卯节点转动中心的改变，对松动榫卯节点进行了精细化数值模拟分析；分析了松动榫节点的受力机理，建立了松动透榫节点弯矩-转角关系理论计算公式；.（2）基于木材的正交各向异性本构关系，引入修正的库伦摩擦模型，开发了的木材本构关系及木材摩擦接触关系的有限元子程序。使用该子程序对古建筑木结构进行了精细化建模，更深入、准确地研究了榫卯节点、斗栱和屋盖梁架体系的力学行为和抗震性能，进而为整体结构建模奠定了基础；.（3）利用精细化整体结构建模理论和方法，完成了单层单开间大式带斗栱振动台试验模型离散元分析和倒塌过程模拟；对传统穿斗式木结构进行了离散元建模，进行了穿斗式木结构的倒塌模拟；设计并进行了1/3.5缩尺清大式带斗栱木结构单层三开间古建筑模型振动台试验模型数值倒塌分析；.（4）参考现代结构的震害等级描述和划分，结合古建筑木结构有关规范以及古建筑修复的难易程度，提出了不同震害下古建筑木结构的破坏等级。将层间位移角作为破坏参数，给出了各个震害等级下的最大层间位移角。对古建筑木结构地震倒塌评估方法进行了详细的分析，通过地震易损性分析，得到古建筑木结构在地震作用下超越各个破坏等级的概率，进而对其倒塌风险进行了评估。