地震作用下砖石古塔随机损伤的跨尺度演化机制研究

Earthquake is a menace to masonry pagodas' conservation permanent. Seismic performance evaluation to masonry pagodas can provided scientific basis to earthquake prevention and disaster reduction, and the mechanism to seismic damage is the factor effect to the seismic behavior heavily. Because the randomness is coupled by both the damage of structure and the seismic effect, that leads to the scale-span evolution to seismic damage for masonry pagodas. Considering the randomness of earthquake effects and discreteness of mechanical property to masonry pagodas, the randomness to distribution to structure damage is analyzed On the basis of statistical investigation. By dynamic test in situ to masonry pagodas and wavelet transforms the damage is identificated for the structure to study the probabilistic characteristics of the distribution to macro damage. After the mechanic characters are tested to full-scale or scale sub-structure of masonry pagodas and the meso-mechanical numerical models are established, the meso-damage and the evolution mode are studied affected by earthquakes. Shaking table test and seismic response analysis are carried out for masonry pagoda to study the influences of seismic effects on the evolution probability of the interface damage. As results, the damage probability model to masonry pagodas is performed and the association mechanism among the scale effect and damage evolution is well defined. Then the mechanical mechanism is clarified about the stochastic tran-scale damage evolution. And the damage assessment method is proposed which can provide the reliable theoretical basis for assessment to seismic performance of masonry pagodas.

地震是砖石古塔永久保存的主要威胁之一，抗震性能评估能够为古塔防震减灾提供科学的依据，地震损伤机制是影响结构抗震性能的主要因素。由于砖石古塔结构损伤及地震作用效应均具有随机性且相互耦合，导致结构地震损伤具有跨尺度演化的特点。综合考虑地震作用效应的随机性及古塔力学性能的离散性，在古塔结构病害调查统计的基础上进行损伤分布的随机性分析，通过古塔原位动力测试并采用小波变换方法进行结构损伤识别，研究宏观损伤分布的概率特性；进行古塔子结构足尺或缩尺模型力学性能试验并建立细观数值模型，研究地震作用下结构细观损伤及其演化模式；进行古塔振动台试验及地震反应分析，研究地震效应对结构宏观界面损伤跨尺度演化概率的影响。通过研究，建立砖石古塔结构损伤的概率模型，明确尺度效应与结构损伤演化概率的关联机制，阐明地震作用下结构随机损伤跨尺度演化的力学机理，提出古塔地震损伤评定方法，为科学评估砖石古塔抗震性能提供理论依据。

聚焦于砖石古塔地震损伤的问题，围绕古塔结构损伤识别、演化的力学过程，从砌筑灰浆、砌体试块、古塔子结构、缩尺模型、足尺结构层面开展多尺度力学分析，对15座古塔进行损伤状态调研，进行灰浆微观结构观测、试块受压及受剪性能试验、子结构低周往复加载试验、原位动力测试及振动台试验等，完成精细化数值模拟，研究砖石古塔损伤累积与演化的基本规律，得到古塔砌体材料、子结构及全结构的损伤机制，阐释了砖石古塔地震损伤模式及影响因素。具体包括：（1）设计多种配比的灰浆并制作试块，采用微观电子显微镜观察灰浆的颗粒及细观结构，进行抗压及直接剪切试验，观察灰浆试块的破坏过程及特征，获得了力学性能指标，进行了灰浆性能的改进。（2）完成古塔子结构受压性能及围箍约束增强试验及数值模拟，研究竖向荷载作用下塔体破坏的基本形态及力学模型，确定影响塔体受压承载性能的主要因素，明确相应的影响规律及角钢围箍约束后的受力性能。（3）进行古塔子结构缩尺模型试件低周反复荷载试验，研究洞口开设方式、砌体灰浆粘结强度、压剪比等不同条件下试件破坏模式，得到滞回曲线及骨架曲线，并建立块体-灰浆分离式精细化数值模型，研究不同因素对古塔子结构受力性能的影响；并分析采用角钢-拉杆围箍约束后塔体的二次损伤破坏过程，研究了围箍约束对抗震性能的增强作用。（4）进行古塔模型动力试验并结合数值模拟，分析结构动态响应与破坏状态的关系，通过塔体动力响应的时域及频域分析，确定模态参数及其变化趋势，研究砖石古塔结构损伤识别方法。（5）针对不同古塔结构构造、损伤状态等工程条件，结合塔体材料基本力学性能试验结果，采用数值分析及试验方法，完成了实心结构、空筒结构、倾斜状态、异形结构及考虑地基-结构相互作用条件下砖石古塔的地震响应及损伤研究。项目组共发表论文16篇，授权专利2项，培养研究生12名，所得技术数据与成果为砖石古塔抗震能力评定及技术标准制订提供了依据。