古塔结构静/动力灾变保护理论及工程应用方法研究

针对我国现存古塔的受力和灾变特点，同时考虑古建筑保护的特殊性等，通过理论分析、模型试验和现场测试，研究考虑地基-基础-上部结构共同作用时，古塔结构的静/动力灾变机理、失效模式、分析理论和保护方法，特别是倾斜或损伤古塔的灾变性能评价理论、力学分析模型和纠偏方法等，提出基于性能的古塔灾变保护理论和应用方法；研究铁磁形状记忆合金和超磁致伸缩材料的电磁力学性能，建立磁场、应力、温度等多场耦合的本构模型，研发适合古塔保护特点的磁性复合监控系统，建立新的理论分析和计算方法；并以实际古塔为原型，研究应用磁性复合监控系统进行古塔静/动力灾变保护一体化的理论分析和计算模型，探讨相应的保护方法和规律，重点是倾斜或损伤古塔整体保护与局部保护以及两者的耦合关系等，提出一套较为完整且适应性较强的古塔灾变保护理论，为古塔的妥善保护提供科学依据。项目的研究不仅具有重要的学术价值，而且对其它古建筑保护也有一定参考意义。

4年多来，项目组针对我国典型古塔结构静/动力灾变保护的主要特点，采用现场调研、理论分析和模型试验等方法，与有关文物部门合作，进行了广州怀圣寺光塔、西安小雁塔、呼和浩特白塔等典型古塔结构损伤、倾斜、灾变特点的现场实测与性能分析，研究了考虑地基-基础-塔体结构共同作用时，古塔结构在地基不均匀沉陷、强震及环境灾害下的灾变机理和主要规律，特别是损伤、倾斜古塔结构的强震倒塌机制、内力重分布规律以及相应的塔体结构纠偏方法等，建立了相应的力学分析和计算模型，提出了一些基于性能且有工程新意的保护理论和纠偏方法，如涂层渗透保护法、注入增强保护法、抽土迫降纠偏法等，并已将抽土迫降法成功地运用于西安万寿寺古塔的实际纠偏工程，取得了很好的纠偏效果和经济效益，社会影响较大；研究了铁磁/磁性形状记忆合金（FSMA/MSMA）的制备技术，自主制备了一批FSMA/MSMA，选购了一批超磁致伸缩材料（GMM）、压电堆和SMA，分别进行了9组MSMA、9组FSMA、9组GMM、9组压电堆和27组SMA材料物理力学性能的模型试验，研究了应力大小和方向、环境温度、磁场强度及方向等因素对材料本构特征及作动频率的影响，分析了磁场强度、环境温度、预加压力和变形率等之间的相互耦合作用关系，建立了相应的电磁热力学本构模型，特别是FSMA/MSMA材料能够预测磁化行为和磁场诱发形状记忆效应的电磁力学本构方程；以FSMA/MSMA为核心元件，进行了FSMA/GMM、MSMA/GMM、MSMA/SMA等磁性复合作动器/阻尼器/传感器以及相应的磁性复合监控系统的优化设计理论和构造方法研究，研发了6种性能优越的磁性复合监控系统和3种SMA磁性复合悬摆减震系统，提出了相应的力学分析和计算模型；研究了上述系统与古塔结构的集成技术以及集成后在地震下的一体化动力分析模型，并进行了相应的优化监控分析，提出了一种基于Kalman滤波器的趋近律离散变结构控制方法和一种基于线性矩阵不等式的鲁棒非脆弱H∞控制方法，并通过模型试验进行了验证；分别以小雁塔和光塔为原型，设计制作了2个长度相似系数为1/10的小雁塔和光塔试验模型，将磁性复合监控系统或磁性复合悬摆减震系统集成于模型结构之中，进行了多种工况下无控和有控时模型结构的模拟地震振动台试验，探讨了控制机理，检验了控制效果，总结了控制规律，得出了一些有创新意义的结论和建议，为工程应用提供了依据。