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《西安建筑科技大学》 2007年
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中国木结构古建筑加固的试验研究及理论分析

谢启芳  
【摘要】: 中国木结构古建筑是世界古代建筑中独树一帜的建筑体系,具有极高的历史、文物、艺术和科学价值。开展木结构古建筑加固的研究对保护这些珍贵文物遗产具有极其重要的理论意义和社会价值。 首先提出了古建筑修缮设计基准期,分析了作用于古建筑上的永久荷载、可变荷载和地震作用的取值方法。根据古建筑材料性能的变化规律,建议木材设计强度应该根据实测数据进行取值,并给出了材料强度设计值的确定方法。 考虑到檩下替木的存在,根据支承点处檩和替木的转角相等的原则确定出支承点的位置,从而计算出檩的最大内力。将雀替与三角梁之间的分布荷载简化为三角形分布,计算了三角梁的最大内力。根据单层木结构殿堂的结构特点,将其简化成带滑移隔震层的单自由度体系,建立了动力方程,采用逐步积分法给出了动力方程的数值解法。 通过8根矩形木梁的静力试验,对碳纤维布(CFRP)加固木梁的抗弯性能,包括破坏特征、截面应变、极限承载力及挠度等性能进行了研究。根据加固梁不同的破坏模式建立了相应的抗弯承载力计算公式以及考虑初始应变的承载力计算公式。将木梁的荷载一挠度曲线近似简化为两个线性阶段,提出了木梁跨中挠度的近似计算方法。并根据已建立的抗弯承载力计算公式,对影响碳纤维布加固木梁抗弯承载力的主要因素进行了分析。 根据上述碳纤维布加固木梁的部分试验结果,研究了碳纤维布端部界面剪应力的分布情况,推导了碳纤维布与木梁之间的剪应力和正应力的计算公式,应用该公式分析了影响最大界面应力的主要因素,并根据碳纤维布锚固长度所需提供的拉力提出了碳纤维布锚固长度的确定方法。 通过7根碳纤维布加固的矩形木梁的试验,研究了木梁的抗剪性能,得到了木梁剪切破坏的破坏形态、荷载—挠度曲线及荷载—应变关系等性能。根据理论分析,得到了各种破坏形态的判断条件,建立了发生各种破坏形态时的抗剪承载力的计算方法,并分析了影响木梁抗剪承载力的因素。 根据8根碳纤维布加固的圆形木柱的轴心受压试验研究,得到了木柱的破坏形态、木柱和碳纤维布的荷载—应变关系以及加固柱极限承载力提高情况等性能。分析了加固柱极限承载力的影响因素,并建立了抗压承载力的计算公式。通过对木柱墩接方法的力学分析,确定了木柱墩接的最大墩接高度、连接区段的最小长度及对紧箍件的要求。 按宋《营造法式》中的做法,选用殿堂二等材殿堂式构架的主要承重柱(檐柱)的柱架缩尺模型,进行了3个未加固构架、3个碳纤维布加固构架和2个扁钢加固构架共8个构架在水平低周反复荷载作用下的试验研究,得到了各个构架的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度退化规律、变形及耗能等性能,在此试验的基础上建立了木结构构架的恢复力模型,并根据相似原理推算了原型结构的恢复力模型。在分析了按现有规范对木结构古建筑进行抗震加固的不足的基础上,提出了基于位移的抗震加固方法,并分析了加固刚度对构架侧移的影响。 通过碳纤维布与木材的剪切粘结试验,研究了碳纤维布与木材的粘结性能,包括破坏特征、碳纤维布与木材粘结面的应变分布特点、有效粘结长度及粘结强度等性能。
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