藏式古建石砌体结构静动力性能研究

The stone masonry construction of Tibetan heritage building has an obvious local characteristic, and it plays a vital role in the whole structural system. The mechanical property of the stone masonry is the key issue in determining the safety of Tibetan buildings, such as the Potala Palace. This project adopted the experiment method, combining theoretical analysis, field investigation, laboratory and set tests, numerical simulation and other study methods, conducted the research on structural material properties, static behavior and seismic performance of typical Tibetan stone masonry constructions. The purpose of this project is to understand the constitutive relation of the structural material, obtain the force transmission characteristics, the damage mechanism, the mechanical and simulation model of the Tibetan stone masonry structure, develop the identification and simulation method of the parameter and structural damage status for the Tibetan stone masonry construction, obtain the damage description and development trend of Tibetan heritage building, build the effective evaluation method of the weakness in structure under seismic actions, propose the evaluation levels of structural safety and provide the basis of structural status assessment and conservation of Tibetan heritage buildings.

藏式古建筑石砌体结构具有鲜明的地域特色，是藏式古建筑重要组成部分。石砌体结构性能是决定布达拉宫等重要藏式古建筑能够安全存在的关键。本项目拟以试验研究方法为主，同时结合理论分析、现场勘察、实验室试验、现场测试、数值模拟等研究手段，对典型藏式古建石砌体结构的材料性能、静力性能与抗震性能进行系统深入的研究，掌握其材料性能特征与本构关系，获得藏式石砌体的传力特征、损伤与破坏机理、力学模型、数值分析模型，研究并开发适用于藏式石砌体的结构性能参数与结构损伤状态的识别与模拟技术，获得藏式古建筑石砌体结构的损伤描述及其发展规律，建立评价其在地震灾害作用下结构薄弱环节的有效方法，提出藏式古建筑石砌体的安全状态评价级别，为藏式古建筑的保护与修缮提供科学依据。

本项目聚焦藏式古建筑石砌体结构，较系统开展了组成材料、小砌体、砌体墙等多尺度静动力性能研究，并对其建造工艺、尺寸随机性、损伤探测识别技术等开展了专题研究。基于大量现场勘查与原型砌筑实验，系统梳理了藏式石砌体的砌筑工艺，提出了其结构特征。开展了藏式古建石砌体系列实验研究，先后完成了42组（件）石材材性试验、55组（件）泥浆材性试验、85组（件）小砌体试验、9组（件）足尺墙体试验，获得了材料的抗压、剪、折强度，以及弹性模量、泊松比、内粘聚力和内摩擦角等指标，获得了藏式石砌体抗压初裂强度、极限强度、抗剪强度、弹性模量等指标，给出了界面粗糙度和饱满程度对其受剪行为的影响，获得了砌缝饱满程度对抗压强度的影响，获得了土体种类、材性劣化程度、初始含水率、湿度等对抗剪强度的影响，提出砌缝剪应力-剪切位移抗剪三阶段描述方法，建立了砌缝抗剪粘结-滑移本构模型及其关键控制参数，获得藏式古建石砌体抗震性能指标及地震作用下的损伤特征和演化过程。基于细观力学特性，分别建立了基于有效模量理论的均质化和分层均质化两种藏式古建石砌体数值模拟方法，形成了其简化模型建模方法，提高了计算效率和适用性。采用三维激光采集技术获取了大量实际藏式古建石砌体界面特征数据，拟合出其界面粗糙度数字化模型；采用概率统计与自相关函数等方法建立了藏式古建石砌墙体的几何特性描述方法；通过数值模拟分析获得了多因素对藏式古建石砌墙体竖向应力状态影响规律。以模糊综合评价和层次分析法为工具，建立了藏式古建石砌体构件层次和结构层面的安全性评估方法。应用提出的改进动力可靠度解法得到藏式古建石砌体结构动力可靠度及其随影响因素变化规律。基于探地雷达技术，提出了藏式古建石墙内残损及异常物辨识方法，完成了多次实地探测，建立了藏式古建石墙内部残损及异常物的辨识图谱。项目研究成果可为藏式古建筑的保护与修缮提供科学依据。