交通振动下砌体结构古建筑的损伤机理与疲劳寿命研究

Fatigue life estimation is one of the key issues of vibration suppression of ancient structures. To research the quantificational evaluation of vibration suppression ability of ancient masonry structures, it is necessary to study the mechanical behavior process of the ancient masonry materials affected by traffic reciprocating vibration. In the projection, the theory of damage accumulation involved, the breakage of ancient structure material and damage property affected by transportation environment micro-vibration are described based on damage accumulation theory. And the key scientific issues such as fatigue cumulative damage mechanism and fatigue life estimation of ancient masonry structures are settled with the material fatigue test ， the dynamical test and the application of numerical analysis method. The follows are in detail:1.The damage development equation of material of ancient masonry structures is set up to study the characters and rules of damage development.2.The fatigue life of ancient masonry material are analyzed to study the damage development mechanism of formulation and extend of cracks, vibration damage of structure.3. Based on the disciplinarian of accumlated damage development of ancient masonry structures affected by transportation micro-vibration, the vibration suppression ability and evaluation index systems of structure are researched to constitute the fatigue lfe evaluation model of ancient masonry buildings. Furthermore, the quantificational relation to evaluation index and damage variable of structures is studied. By the works above, the mechanisms of fatigue damage and damage accumulation of ancient masonry structures are brought forward and the evaluation method of fatigue life about ancient masonry structures is founded. That can afford scientific theoretical basis for vibration suppression for ancient masonry structures.

疲劳寿命评估是古建筑防振保护的核心科学问题之一，研究砌体结构古建筑受振能力的定量评估方法，需要进行交通往复振动下古砌体材料的力学行为研究。项目基于损伤累积理论，表征古砌体材料劣化及微振动下结构损伤特性，进行材料疲劳测试及现场动力测试试验，并应用数值分析方法，解决砌体结构古建筑的疲劳累积损伤机制及疲劳寿命评估的关键科学问题。主要研究内容为：1.建立古砌体材料的累积损伤方程，就结构累积损伤的特征及规律进行研究；2.进行古砌体材料疲劳寿命分析，研究砌体结构古建筑结构裂缝的形成与发展、振害特征的损伤累积机理；3.依据交通微振下砌体结构古建筑累积损伤规律，研究结构受振能力及评估指标体系，建立砌体结构古建筑疲劳寿命评估模型，并分析评估指标与结构损伤变量的定量关系。通过研究，提出交通微振动下砌体结构古建筑疲劳破坏机制及损伤累积机理，建立其疲劳寿命评估方法，为砌体结构古建筑的防振保护提供科学的理论依据。

以辽代古塔和西安城墙瓮城为研究对象，研究环境激励对古砌体结构的振动损伤影响，利用峰值法（PP）、特征系统实现算法（ERA）和随机子空间法(SSI)对古砌体结构进行模态参数识别，得到复杂交通环境振动下古砌体结构的模态参数。为砌体文物保护提供有力数据支持和理论依据。.研究包括三方面：1）古砌体材料的材性参数及累计损伤特性研究；2）砌体古塔的现场测试与数值模拟，对该结构形式的损伤机理及疲劳寿命深入研究；3）砌体古城墙的现场测试，对该结构形式的损伤机理进行深入研究。.完成预期目标：1、对砌体结构古建筑材料缺陷及裂缝开展的研究，为初步建立劣化性能基于损伤累计理论的表征；2、对砌体结构古塔进行详细振动分析，通过疲劳寿命预测理论及疲劳寿命软件，提出了疲劳破坏损伤寿命公式，并预测交通微振动环境下砌体结构古塔的疲劳寿命。3. 为研究古建筑古砖砌体轴心抗压强度及裂缝发生发展情况，对两组不同砂浆砌筑古砖砌体进行抗压试验，获取了古砖砌体的荷载-变形关系曲线，应力-应变曲线和裂缝数据，根据砌体开裂的确定方法，通过分析砌体的受力过程，荷载-变形曲线，单条裂缝长度和裂缝发展情况综合评定开裂荷载，建立了古砖砌体应力-应变的关系以及三折线模型拟合，能准确反映裂缝长度与荷载之间的关系。 .1）提出交通环境微振动作用下砌体结构古建筑的疲劳累积损伤机制；基于疲劳累积模型，从结构损伤及损伤累计的角度分析砌体结构古建筑的开裂、破坏机制，考虑了既有损伤对其材料特性的影响，定量分析古塔疲劳寿命分布情况，找出疲劳寿命在走廊、门洞、墙边等不同位置的分布。2）初步建立砌体结构古建筑材料疲劳损伤分析模型，古砌体材料特性，考虑交通微振动作用下的累积损伤，建立疲劳损伤模型；3）建立基于损伤特性的砌体结构古建筑疲劳寿命评估模型，根据古塔振动测试数据及数值模拟分析情况，建立砌体结构古建筑基于损伤特性的疲劳寿命预测评估模型，初步预测了古塔中不同部位的疲劳剩余寿命。