古建筑木结构性能退化与剩余安全年限预测研究

Based on the background of performance degradation of ancient timber structure due to damage, the performance degradation and prediction of residual safety life will be researched through the methods such as investigation, experimental research, theory analysis and numerical simulation. The influencing factors, mechanism and evolution law of wood aging and decayed behavior under general atmospheric environment will be discussed, and the time-varying model of wood ageing depth and decayed depth will be established. The performance degradation mechanism and regularity of aging and decayed wood will be analyzed, and the mechanical property time-varying model and damage constitutive model will be established. The resistance calculation method and resistance-varying prediction model will be established and the performance degradation mechanism and regularity of damaged wooden beam, column and tenon-mortise joints will be revealed. Considering the characteristics of the ancient building, the time-varying reliability evaluation model and method of existing ancient timber buildings will be established, and the load determination methods and repair limit state standards will be suggested. Then the model and method of prediction of residual safety life based on time-vary reliability theory will be established. Research results of the project conforms to the urgent needs of protection and inheritance of Chinese ancient timber buildings, and what have an important scientific significance and engineering application value to promote " the whole life control" and "precautionary protection" so as to have long pass for Chinese ancient timber buildings.

基于我国大量古建筑木结构因病害而性能退化的背景，采用调查实测、试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，对古建筑木结构的性能退化与剩余安全年限预测进行系统研究。探讨一般大气环境下木材老化、腐朽行为的影响因素、机制与演变规律，建立木材老化深度、腐朽深度的时变模型；分析老化木材、腐朽木材性能退化机理与规律，建立老化木材、腐朽木材力学性能时变模型与损伤本构模型；揭示病害木梁、木柱和榫卯节点的性能退化机理与规律，建立病害木梁、木柱和榫卯节点的抗力计算方法与抗力时变模型；考虑古建筑的特点，建立现存古建筑木结构时变可靠性评估模型与方法，确定其荷载取值方法与修缮极限状态界定标准，从而建立古建筑木结构基于时变可靠性理论的剩余安全年限预测模型与方法。研究成果符合我国古建筑木结构保护与传承的迫切需求，对推进我国古建筑木结构的"全寿命控制"和"预防性保护"而久远地传承下去具有重要的科学意义和工程应用价值。

（1）考虑古建筑木材材料性能退化，分析了古旧木材历经年限对木材强度的影响和横向裂纹对木材抗弯强度的影响，提出了古建筑木结构修缮加固时木材材料强度的取值方法。.（2）基于接触理论提出了一种考虑木材间变接触的接触模型，建立了切向的摩擦系数与木材表面形貌参数、木材材性质之间的关系，以及法向的接触刚度系数与木材表面形貌参数、木材材料性质之间的关系，并对不同纹理方向木材表面形貌参数进行了试验研究。.（3）采用曲率模态法进行木梁损伤检测研究，并总结分析了国内外结构损伤识别研究现状。通过ABAQUS有限元分析软件建立模型，并进行模态分析，获取了不含损伤、含单处损伤但损伤程度不同、同时含两处损伤、同一损伤程度不同损伤位置时的振型模态和曲率模态。.（4）通过人工模拟的方法，对真菌腐朽和虫蛀两种常见的残损燕尾榫节点的抗震性能进行了试验研究，研究了残损节点的破坏特征、弯矩-转角滞回曲线和骨架曲线、耗能、变形能力。.（5）通过1个完好节点模型、3个人工模拟榫头真菌腐朽的残损节点模型和3个人工模拟榫头虫蛀的残损节点模型，对残损单向直榫节点的抗震性能进行了试验研究。榫头真菌腐朽和榫头虫蛀分别采用在榫头表面钻深孔和在榫头钻通孔的方法来模拟。通过低周反复加载试验对单向直榫节点的破坏特征、弯矩—转角滞回曲线、骨架曲线、刚度退化规律和耗能性能等进行了研究。.（6）以独乐寺观音阁平座层叉柱造式斗栱为研究对象，参照宋《营造法式》三等材的营造方法，制作了4个叉柱造式斗栱节点，并采用人工模型方法，模拟构件表面腐朽、虫蛀及裂缝等三类残损斗栱节点，对残损叉柱造式斗栱节点的抗震性能及其退化规律进行了研究。.（7）考虑柱高、竖向荷载的影响，通过3个单向直榫构架的低周反复荷载试验，对比分析了不同构架的抗震性能。结果发现，柱高与竖向荷载对构架的抗震性能有不同程度的影响，且柱高的影响较竖向荷载的影响大。.（8）通过3个加固后的单向直榫残损构架的低周反复荷载试验，对比了加固前后单向直榫构架的抗震性能，分析了SMA的加固效果。结果表明，SMA能提高构架弯承载力，延缓抗弯刚度的降低速率，且加固构架的耗能性能优于未加固构架。