古建筑木结构榫卯节点地震损伤的跨尺度演化机制研究

Earthquake is one of the main threats to the permanent preservation of ancient timber-frame structures.Seismic performance evaluation of mortise-tenon joints can provide scientific basis for protection of ancient timber-frame structures,seismic damage mechanism is the main factor that affecting seismic performance evaluation of mortise-tenon joints.Because of dispersion of mechanical properties and randomness of seismic action, seismic damage of mortise-tenon joints have the characteristics of cross-scale evolution.Take these factors into account,through the in-site dynamic test of the ancient timber-frame structure and the stiffness identification of the mortise-tenon joints,the macroscopic damage probability model of mortise-tenon joints is established to determine the randomness of the damage evolution of the macroscopic interface of mortise-tenon joints and the influence on the rotational stiffness of joints. In this study, the mesoscopic damage and evolution mode of mortise-tenon joints of ancient timber-frame structure are analyzed. Consider the randomness of the seismic effect,the random damage variable and evolution equation are derived, and the mesoscopic random damage evolution models of mortise-tenon joints is established. The deformation modes of mesoscopic damage and macroscopic damage transition zone are analyzed. The dynamic effect determination method and damage cumulative scale effect of the seismic damage zone of the mortise-tenon joints are studied. The cross-scale evolution criterion of the seismic damage of the mortise-tenon joints is established. The critical state and limit state of the trans-scale evolution of the seismic damage of mortise-tenon joints.The research results can quantitatively evaluate the seismic damage of mortise-tenon joints, and provide a scientific basis for the earthquake damage prediction and seismic performance evaluation of existing ancient timber-frame structures.

地震是古建筑木结构永久保存的主要威胁之一。榫卯节点抗震性能评估能够为古建筑木结构保护提供科学依据，而地震损伤机制是影响榫卯节点抗震性能评估的主要因素。由于榫卯节点力学性能的离散性和地震作用效应的随机性，榫卯节点地震损伤具有跨尺度演化特点。综合考虑这些因素，通过古建筑木结构原位动力测试和刚度识别，建立榫卯节点宏观损伤的概率模型，确定榫卯节点宏观界面损伤演化随机性及对节点转动刚度影响。分析古建筑木结构榫卯节点细观损伤及演化模式，考虑地震效应的随机性，推导随机损伤变量和演化方程，建立榫卯节点细观随机损伤演化模型。分析榫卯节点细观损伤和宏观损伤过渡区变形模式，研究榫卯节点地震损伤区动态效应确定方法及损伤累积尺度效应，建立榫卯节点地震损伤跨尺度演化准则，确定榫卯节点地震损伤跨尺度演化的临界状态和极限状态，实现定量评定榫卯节点地震损伤，为现存古建筑木结构震害预测和抗震性能评估提供科学依据。

在地震中榫卯节点容易发生脆性断裂损伤破坏而导致节点失效，因此需要对古建筑木结构榫卯节点断裂损伤及其对抗震性能的影响进行研究。本项目分别从木结构的动力特性及地震响应、透榫节点材料细观损伤机理、透榫节点损伤过程、透榫节点地震损伤模型探究古建筑木结构透榫节点断裂过程及损伤评估方法，本项目主要研究内容如下：.（1）为研究单围柱重檐攒尖木结构的动力特性及地震响应，以西安兴庆宫五龙坛木结构建筑为例，对其进行原位动力试验，采用峰值拾取法与随机子空间法两种方法，分析了结构的前6阶自振频率、空间振型及阻尼比。考虑单围柱、榫卯连接、斗栱铺作、抹角梁架空间构造的特征，建立了单围柱重檐攒尖木结构有限元分析模型，计算得到结构的前6阶频率、振型与五龙坛原位试验结果吻合较好。.（2）在往复荷载作用下透榫节点试验现象的基础上，对透榫节点变截面断裂所体现的木材横纹断裂细观机理进行分析，采用声发射技术，对木材横纹受拉断裂进行试验分析。.（3）基于ABAQUS扩展有限元技术（XFEM）对透榫节点变截面断裂进行分析。对比了有限元与扩展有限元之间的差别，验证了扩展有限元模型的有效性。对变截面断裂过程进行分析，分别从加载曲线、变截面断裂应力曲线进行分析，结合速率过程理论拟合损伤曲线，将变截面断裂单元应力曲线带入，得到变截面断裂单元损伤曲线。.（4）为定量评估古建筑木结构透榫节点的地震损伤程度，对Kratzig地震损伤模型进行了改进，提出了改进的Kratzig地震损伤模型，最后结合古建筑木结构地震损伤评估，提出了透榫节点性能水准分类及每个阶段的加固建议。.（5）对3组足尺落叶松透榫节点模型进行了拟静力试验，识别了不同松动透榫节点的断裂损伤模式，采用声发射方法测得榫头表面的振铃计数，得到了各节点的临界荷载和临界能量释放率，分析了不同透榫节点的断裂损伤性能，研究了不同断裂损伤状态下松动透榫节点的滞回骨架曲线、刚度退化曲线以及拔榫量。