碳纤维布加固古建筑木结构基于结构潜能和能量耗散地震破坏评估.pdf

第 3 5卷 第 6期 2 0 1 3年 1 2月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f C i v i l ，Ar c h i t e c t u r a l En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g V o l _ 3 5 N O ． 6 De c ． 20 1 3 d o i 1 0 ． 1 1 8 3 5 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 4 4 7 6 4 ． 2 O 1 3 ． 0 6 ． 0 1 6 碳纤维布加固古建筑木结构基于结构 潜能和能量耗散地震破坏评估 薛建 阳 ， 1 ．西安 建 筑科 技 大 学 吴 占景 ， 张风 亮 ， 赵 鸿铁 ， 刘祖 强 ， 王豆豆 土木工程学院 ，西安 7 1 0 0 5 5 ； 2 ．陕西省建 筑科 学研 究院 ，西安 7 1 0 0 8 2 摘 要 为 了评估 古建 筑木 结 构加 固后 的抗 震性 能 以及 研 究加 固结 构在 各 工 况地震 作 用 下的破 坏 过 程及 对应 的破 坏状 态 ， 基 于碳 纤 维布 加 固燕尾 榫 柱 架 和抖 拱 铺作 层 低 周反 复荷 载作 用下 的滞 回 特性 和 能量耗 散原 理 ， 计算 了两耗 能元件在 低 周反 复荷 载作 用下 的“ 抵 抗破 坏 潜 能” ； 借 助碳 纤 维布 加 固古建筑木结构振动台试验 ， 计算 了各工况地震作用下每一耗能元件所耗散的能量， 基于构件的 “ 抵 抗破 坏潜 能” 和 各 工况 下的地 震 耗 能 建 立 了耗 能 元件 在 不 同地 震 作 用 下 的地震 破 坏评 估 模 型 ， 并借 助 能量 分配 系数找 出 了各耗 能元件 破 坏 状 态与整 体 加 固结构 破 坏状 态之 间的 关 系， 建 立 了整 体加 固结构在 不 同地震 作 用下 的破 坏 评 估模 型 。应 用该 地震 破 坏 评估 模 型 ， 定 量计 算 了碳 纤 维布 加 固燕尾 榫 柱 架和抖拱 铺作 层 、 整体 加 固结 构在 各 工 况 地震 作 用 下 的破 坏 系数 ， 并 基 于破 坏 程 度 ， 得 出了整 体加 固结 构 不 同破 坏 系数 对 应 的结构 不 同震 害等级 。研 究 结果 可为 碳 纤 维布加 固古建 筑 木 结构 的震前破 坏 预测 和震 后加 固古建 筑木 结构 的保 护 再修 复提供 可靠的理 论依 据 。 关键 词 古建 筑木 结构 ； 抵 抗 破坏 潜 能 ； 能 量耗散 ； 地 震破 坏评 估 ； 破 坏 系数 中 图分类 号 TU3 6 6 ． 1 2 文 献标 志码 A 文章 编号 1 6 7 4 4 7 6 4 2 0 1 3 0 6 0 1 0 3 0 9 Po t e nt i a l a nd En e r g y Di s s i pa t i o n Ba s e d S e i s m i c Da ma g e Ev a l u a t i o n o f Anc i e nt Ti mb e r S t r u c t u r e S t r e ng t he ne d wi t h CFRP X u o J ia n y a n g ，Wu Z h a n j in g ，Z h a n g F e n g l ia n g 。 ，Z h a o H o n g t i e ， Li u Zu q i a n g ， W a n g Do u d o u 1 _ Co l l e g e o f Ci v i l En g i n e e r i n g ，Xi a n Un i v e r s i t y o f Ar c h i t e c t u r e Te c h n o l o g y ，Xi a n，S h a a n x i 7 1 0 0 5 5，P． R． C h i n a ； 2 ． S ha a nx i I ns t i t ut e o f Ar c hi t e c t ur e Sc i e nc e ，Xi a n 71 0 08 2，P． R．Chi n a Ab s t r a c t The a i m i s t o e va l ua t e t he s e i s mi c pr o pe r t i e s of a nc i e n t t i mbe r s t r uc t ur e a f t e r s t r e ng t he ni n g a n d a n al y z e t he f a i l ur e pr o c e s s a nd c o r r e s p o nd i ng f a i l ur e s t a t e ． Ba s e d o n t he h ys t e r e t i c be ha vi or a nd e n e r g y d i s s i p a t i o n p r i n c i p l e o f t h e d o v e t a i l c o l u mn f r a me s t r e n g t h e n e d wi t h CF RP a n d Ar c h e s Br a c k e t s u n d e r t h e l o w r e v e r s e d c y c l i c l o a d i n g． t h e “p o t e n t i a l o f d e s t r u c t i o n r e s i s t i n g” o f t h e t wo e n e r g y c o n s u mi n g c ompo ne nt s i s ob t a i n e d ． The d i s s i p a t e d e n e r gy o f e a c h e ne r g y c on s u m i n g c o m p o ne nt u nd e r t he va r i ou s e a r t hqu a ke c on di t i o ns i s c a l c u l a t e d c o mbi ni n g wi t h t h e s ha k i ng t a bl e t e s t o f a nc i e n t t i mbe r s t r u c t ur e ． The mod e l of s e i s mi c da m a ge e v a l u a t i o n of t he t wo e ne r gy c on s u m i n g c omp on e nt s i s e s t a b l i s h e d on t he ba s i s of t he“p ot e nt i a l of de s t r u c t i on r e s i s t i ng” a nd t he d i s s i pa t e d e ne r g y ． By me a ns of t he e ne r g y di s t r i b ut i on c oe f f i c i e nt ， t h e r e l a t i on s hi p o f t he f a i l u r e s t a t e b e t we e n e ne r g y c o ns u m i n g c o m p o ne n t s a nd ov e r a l l 收 稿 日期 2 0 1 3 0 2 1 8 基金项 目 国家科技 支撑 计划资助课题 2 0 1 3 B A K0 1 B 0 3 0 2 ； 陕西省科 学技术 研究 发展计划 国际合作 项 目 2 0 1 3 KW2 3 01 作者简介 薛建 阳 1 9 7 0 一 ， 男 ， 教授 ， 博士 后 ， 主要从事 钢与混凝土组合结构 、 钢筋 混凝土结构 、 古建筑 木结构抗震性 能 研 究 ， E _ ma i l j i a n y a n g x u e 1 6 3 ． c o r n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l O 4 土 木 建 筑 与 环 境 ． 7 -程 第 3 5 卷 s t r e ng t he n e d s t r uc t u r e i s d i s c o v e r e d，a nd t he mod e l o f s e i s mi c d a ma g e e v a l u a t i on of t he o v e r a l l s t r uc t ur e u nd e r t h e v a r i o us e a r t hq ua k e c o nd i t i o ns i s pr e s e nt e d．W i t h t h e d e r i v e d mod e l of s e i s mi c d a ma ge e v a l u a t i o n， t he f a i l u r e c o e f f i c i e n t o f t h e e ne r g y c on s u m i n g c o m p o ne nt s a nd t he o v e r a l l s t r e n gt h e n e d s t r u c t u r e i s q u a nt i t a t i ve l y c a l c ul a t e d ． A c c or d i n g t o t he f a i l ur e s t a t e， t he c or r e s p on di ng d a ma g e g r a de o f o v e r a l l s t r e n gt he ne d s t r uc t ur e i s o bt a i ne d ． The r e s u l t s c a n pr o v i de a r e l i a bl e t h e o r e t i c a l ba s i s f o r p r e d i c t i ng t he d e s t r uc t i o n be f o r e e a r t h qu a ke a nd r e r e i n f o r c e me nt t o t he s t r e n gt h e ne d a n c i e nt t i mb e r s t r uc t u r e s a f t e r e a r t hq ua ke ． Ke y wo r ds a n c i e nt t i m b e r s t r uc t ur e；p o t e n t i a l o f d e s t r uc t i o n r e s i s t i ng； e ne r g y di s s i pa t i o n；s e i s m i c d a ma ge e v a l u a t i o n；f a i l u r e c o e f f i c i e nt 古 建筑 是 中 国 民族 历 史文 化 的重 要 组 成部 分 ， 它 的形 成和 发展从 不 同侧面 反映 了 中国各 个历 史 时 期 的政治、 经济、 艺术以及科学文化状况 ， 这其 中， 木 结 构 古建筑 作 为 中 国古 代 建筑 的主 流 ， 被 广 泛 应 用 在宫殿 、 庙 宇 、 民居 、 楼 阁等 建筑 中 ， 是 历 史发 展 的见 证 和民族文化兴衰潮汐之映射， 是不可再生 的珍贵 的历史文化遗产口 ] 。但是对于现存的古建筑木结构 来说 ， 千百年的历史传承 中受到 了 自然力和人 为的 破 坏 ， 材 料发 生腐 朽 、 虫 蛀 、 老化 以及 结 构 或 构 件 发 生破坏 ， 再加上多年来对其保 护不够重视 、 年久 失 修 ， 使得 现存 古 建筑 木 结 构 绝 大多 数 处 于 不 同 程 度 的残损状态 ， 其健康安全状况不容乐观并有进一步 恶 化 的 趋 势 ， 有 的 已 处 于 危 险 状 态 甚 至 濒 临 损 毁 伽 。但 是 由于 木 材 资 源 相 对 匮乏 以及 中 国保 护 文物 的政策 性 要求 ， 不 可 能大 面 积 地 采 用替 换 新 材 的方法来修缮和改造破坏 的木结构古建筑。因此 ， 对古 建筑木 结 构进行 科学 合理 的修 缮保 护 已迫 在眉 睫 ， 而对加 固后 各 构 件及 整体 结 构 的 抗 震性 能研 究 也成为古建筑木结构修缮保护的关键工作 。为了能 够合理地评估古建筑木结构加固后的抗震性能 以及 研究加固结构在各工况地震作用下 的破坏过程及对 应 的破 坏状态 ， 本文 提 出 了一种 能够 客 观 评 价 加 固 后 木结 构地震 破 坏程度 的方 法 。 通过碳纤维布加固古建筑木结构振动 台试验可 以发 现 ， 在 科棋 铺 作 层 以及 柱 架 榫 卯节 点发 生 滑 移 前， 结构或构件不断吸收外部输入的能量 ， 结构基本 处于弹性阶段 ， 这个过程中结构将少量的能量转化 为动能和弹性势能储存； 而开始滑移之后， 结构或这 两部 分耗 能元 件 进 入 弹 塑性 阶段 ， 塑 性 变 形 和 阻 尼 使得地震输入能不断被释放和耗散导致结构也逐渐 出现不 同程 度 的破 坏 。也 就 是 说 ， 结 构 或 构 件 的 破 坏 过程 实质 上是 能 量 耗 散 和释 放 的过 程 ， 而 结 构 或 构 件最 终 的破坏 是 因为地震 输入 的能 量 向结 构或 构 件 释放 的过 程受 到抑 制 ] 。因此 ， 对 于碳 纤 维布 加 固古建 筑木 结 构来 说 ， 结 构 的破 坏 是 因 为 科棋 铺 作 层或碳纤维布加 固燕尾榫柱架的破坏不断加剧而导 致 。鉴 于此 ， 借 助碳 纤维 布 加 固古 建 筑木 结 构 振 动 台试 验 以及碳 纤维 布加 固燕 尾榫 柱架 和 四铺 作 科棋 拟 静力试 验 ， 基 于耗 能 元 件在 低 周 反 复 荷 载作 用 下 所 表现 出 的“ 构件抵 抗破 坏潜 能” 以及 整体结 构 在 地 震 作用 下各 种工 况 下 所耗 散 的地 震 能 量 ， 建 立 了 古 建筑 木结构 各耗 能元件 及整 体结构 在 不 同工况 地 震 作用下的地震破坏评估模型， 并结合试验进行破坏 分析 ， 以期 能够 客 观地 反 映木结 构 古 建 筑 的实 际 震 害等 级 。 l 古建筑木结构 的构件地震破坏评估 1 ． 1 构 件破 坏评估 模 型 根据 建筑抗震试验方法规程 _ 7 ] 规定 ， 在低周 反 复荷 载作 用下 的能量 耗散 能力应 以荷 载 一变 形 滞 回 曲线 所包 围 的面积来衡 量 。基 于此 ， 本文 将 “ 构 件 抵抗破 坏潜 能” 定 义为 构件在 反 复荷 载作 用下 ， 从 加 载初期 到构 件破 坏 ， 所 有 加 载循 环 过 程 中构 件 所 能 耗散 的总输 入 能或者 所能 承受 总 的外 力 功 。图 1给 出了低周反复荷载作用过程 中古建筑木结构构件在 第 ． 循 环 的受力状 态 ， 在 经历 正 反 向位 移 ， 加 载 循环 过程 中， 构 件所 能耗散 的输 入能 或外力 功为 ， _ 、 一一 ～ J| F 、～／ 图 1 第 循环下的构件受力状态 W 一S c D 那 么有 w ∑w 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 薛建 阳 ， 等 碳 纤维布加 固古建 筑木 结构基 于结构 潜能 和 能量耗散 地震破 坏 评估 1 0 5 式 中 W 为第 i 构件在正反向位移 艿 加载循环过 程 中所 耗 散 的 能 量 ， 其 数 值 大 小 为 图 形 的 面 积 S 。 ； ”为构件 发 生 破 坏 时 所 经 历 的 正 反 向低 周 反 复加 载循 环 次数 ； W 为第 i 构件 个 加 载循环 破 坏后耗散的总能量。 对于碳纤维布加 固古建筑木结构振动台模拟地 震 动试 验 ， 各构 件 在 不 同 工 况地 震 作 用 下 耗 散 的能 量 ， 可 根据 构件 在该 工况 地震 作 用下 的层 问剪 力一 层 间位移 滞 回 曲线 来求 得 。 由于 无法 直 接测 出结构 各 层 的地 震剪 力 ， 只能 根 据 结 构各 层 测 点 的绝 对 加 速 度 间接 求 出 。根 据地 震作 用效 应 以及 地震 惯 性荷 载 的定 义 ， 结 构 模 型 各 构 件 在 h工 况 下 的 地 震 剪 力 r ￡ 可按式 3 l 8 计算 r t 一 z t 3 式 中 互 为第 h工 况下 第 i 构 件在 t 时刻 的绝 对 加 速度值 ， D t 为第 i 构 件 的 质 量 。结 构 模 型 在 h 工 况 地震作 用 下 的层 间滞 回耗 能 可 由式 4 _ 2 计 算 1 W 一 E r ￡ r f ] [ 一 1 厶 ￡ ] 4 式 中 Ⅳ 为第 i 构 件 在 h工 况地 震 作 用 下 的 累积 滞 回耗能； 位 和 位 ￡ H 分别 为 t 时刻 和 t ㈠ 时刻第 i 构件 工况地震作用下的层 间位移值 ， 该 值通 过试 验位 移拾 振器 采集 ； 求 和上限 S 为该工况 振动持时下的总采样点数。图 2反映出了不 同工况 地 震作用 下各构件 的累积滞 回耗 能随时 间 t 的变化 。 图 2 h工 况 地 震 作 用 下 构 件 的 累 积 滞 回耗能 随时间 t 的变化 基于构 件 的“ 构 件抵 抗破 坏 潜 能” 及 各 工 况地 震 作用下构件的累积滞回耗能 ， 定义构件 i 在 h工况地 震 作用下 的破坏系数 为该 构件在 h工况地 震作用 下耗散的能量与该构件“ 构件抵抗破坏潜能” 的比值， 如公式 5 所示， 图 3 给出了破坏系数的计算过程 5 1 ． 2 碳 纤维 布加 固古 建筑 木 结构 的构件 破坏 评估 为 了定 量地评 估 2个耗 能元 件 在不 同工况 地震 。 _l 岍 一 够 I ⋯ 图 3构件破坏评估分析过程 作用下的破坏程度 ， 结合碳纤维布加 固古建筑木结 构振 动 台试验 ， 采用 本 文 提 出 的构 件 破 坏 评 估 模 型 对碳 纤维 布加 固木 结构 中的柱架榫 卯 节点 和 科棋 铺 作层 在地 震作 用下 的破 坏程度 进行 分析 。 通 过对碳 纤维 布加 固古 建筑 木结 构振 动 台试 验 的动力响应分析 ， 得 出了碳纤维布加 固燕尾榫柱架 层和 科棋 铺作 层在 各种 工况地 震作 用 下 的地 震剪 力 和层间位移 ， 并根据公式 4 和 5 分别计算 出了碳 纤维 布加 固整 体结 构 的 2个 耗能 元件 在地 震 过程 中 的累积滞 回耗 能 如 图 4所示 。 通过 图 4可 以看 出 ， 在 8度 区多 遇 烈 度 和 基 本 烈度 2 0 0 g a d地震作用下 ， 碳纤维布加固古建筑木 结构 的 主 要 耗 能 方 式 为 柱 架 榫 卯 节 点 的 转 动 耗 能l s ] ， 且 随着地 震强 度 的增大 ， 由于碳 纤维 布 加 固榫 卯节 点不 同程 度 的破 坏 导致 节 点 刚度 降 低 ， 科 棋 铺 作层 逐渐 分担 了越 来 越 多 的地 震 能 量 ； 当地 震 动 强 度达 到 3 0 0 g a l 时 ， 科棋 铺作 层所 分担 的地震 能量 已 经超 过碳 纤维 布 加 固榫 卯 节点 ， 且 随着 地 震 作 用 的 逐渐增强 ， 科棋铺作层分担的地震能量越来越多 ， 而 碳纤 维 布 加 固 榫 卯 节 点 分 担 的 地 震 能 量 成 比 例 下 降 。 1 ． 2 ． 1 碳 纤 维布 加 固燕尾 榫 柱 架 的破 坏评 估 为 了研 究地 震作 用下 碳纤 维布 加 固古建 筑木 结 构榫 卯 节 点 的抗 震性 能 ， 课 题 组 对 3个 截 面 尺 寸 、 材 料 木 材 、 碳纤 维布 、 粘 结 剂 属 性 、 碳 纤 维 布 加 固长 度 、 厚 度 和加 固方法 以及 节点 连接 方式 都相 同的碳 纤维 布 加 固燕尾 榫柱 架 如 图 5 a 所 示 在 2 0 k N 竖 向荷 载作用下 以位移加 载的方式进行 了拟静力 试验研 究 _ 】 “ ] 如 图 5 a 所 示 。图 5 b 、 C 、 d 给 出 了 3个 碳纤维布加固燕尾榫柱架在低周反复荷载作用下 的 滞回耗能曲线 ， 按照公式 2 并借助于 Or i g i n 8 ． 0软 件 对 图 5 b 、 c 、 d 3个 碳 纤 维 布 加 固 燕 尾 榫 柱 架 的 “ 抵 抗破 坏潜 能” 进 行计 算 ， 结 果 如表 1 所 示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 O 6 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 注 ⋯铺作 一柱架 时间 图 4各工况地震作用 下耗能元件的累积滞 回耗能 表 1 单榀碳 纤维布加 固燕尾榫柱架抵抗破坏潜能 结合 表 1并按 照 公 式 5 计 算 出单 榀 碳 纤 维 布 加固燕尾榫柱架 在各工况地震作 用下的破坏系数 如表 2所示 。 根据碳 纤 维布加 固古 建筑 木结 构振 动 台试 验现 象及 结果 分析 ， 并 结 合 表 2得 出 的碳 纤 维 布 加 固燕 尾榫 柱架 在各 工 况地 震 作 用 下 的破 坏 系数 ， 分 析 得 出 由于碳 纤维 布 加 固燕 尾榫 柱 架 是 在 未 加 固结 构 振动 台试 验加 载破坏 后采 用粘 结剂 和碳纤 维布 重新 ／ I 第 3 5卷 a 加固柱架拟静力试验 b 加固柱架1 滞回耗能曲线 c 柱架2 滞回耗能曲线 1 4 0 7 0 0 7 0 1 4 0 A／ ram d 柱架3 滞回耗能曲线 图 5 加固燕尾榫柱架拟静力分析 兰 一 加 ∞ 舳 ∞ ∞ 加 0 ． z 、 媪 一 ，畦、皆 一 固 ． ～ 一 一 叫 百 ． 至 ／ 堪 嘴 一 一 5g．至 j／ 捏 酶 一 一 ∞一 一 一 ， 5 ． 一 一 ， 一 ， ／ 郇 ， W 一 Ⅱ ， ， ， ／ l 一 熙 一 【_ ∞ 一 一 一 一 一 如 m 一 一 一 O ．苫 ， 一 r主 ， ／ 一刚 Ⅱ ． ， ． 1 固 5 一 ，， ． Ⅱ0 ． ．．．． r ； 固 ； mM __ 一 ～ 一 ． z量 醋 兰 乏 一 至一 h 一 固 一 一 a 一 固 一 撕 2 他 8 4 O 一量鲁． 邑，习啦寻竽 酶 加 崮 La n Zh o u一 3 00 g a l r 一一”一⋯一 ， 一 一 g．至 ／ 蜒 嘴 一 一 ． 一 固 ， ∥一 苫 ． 至盂 糕 嘴 以 问 时 可 时 司 时 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 薛建 阳 ， 等 碳 纤维布 加 固古 建筑木 结构 基 于结构 潜 能和 能量耗散 地 震破 坏评 估 1 0 7 表 2各工况地震作 用下碳纤维布加固燕尾榫 柱 架 的破 坏 系数 F 注 E L x g a l 表示 输入 的 E l c e n t r o地 震波 最 大加 速 度为 x g a l ； TA x g a l 表示输入的 T a f t 地震波最大加速度为 X g a l ； L Z x g a l 表示输入的兰州地震波最 大加速度 为 X g a l ， X 为地震 动输入 强 度 本文指地震加速度 。 拼 装而 成 ， 榫 卯 节 点用 胶 粘 合 之 后 本 身 的承 载 能 力 有一定程度的下降 ， 因此 ， 当粘合榫卯节点达到其承 载 力再 次发 生 开裂 之 后 ， 榫 卯节 点 的承 载 能 力 主要 取 决 于碳纤 维 布 的承 载 能 力 ， 且 由于 碳 纤 维 布 为 脆 性 单 向材料 ， 只能 承受 拉 力 ， 抵 抗 剪 切 、 弯 曲 以及 受 压 的能力 较 弱 ， 因此在 地震 荷载 反 复作 用 下 ， 加 固后 的燕尾榫柱架具有较低的承载能力和耗能能力。当 地 震动 强度 到达 3 0 0 g a l 左 右 时 ， 碳 纤维 布加 固燕 尾 榫 柱架 的破 坏 系 数 约 为 0 ． 5 ， 此 时碳 纤 维 布 发 生 较 为严重的剥离现 象 ； 当地震 动强度 达到 约 5 0 0 g a l 时 ， 破坏 系数 超 过 了 0 ． 6 ， 柱 架 节 点 发 生严 重破 坏 ， 此时节点几乎不再耗能 ， 试验过程 中考虑到测量传 感器的安全性 ， 加载到 5 0 0 g a l 后 ， 将测量传感器全 部 移走 ， 根 据试 验现 象 可 以看 出 ， 地 震 动 强度 为 8 0 0 g a l 时 ， 节点几 乎 完全退 出工作 ， 9 0 0 g a l 时 结 构 的恢 复力不足以使柱架恢复到平衡位置 ， 结构轰然倒塌 。 1 ． 2 ． 2 碳 纤 维布 加 固木 结构 中抖 拱铺 作 层 的破 坏 评 估 为 了评 估 科棋铺 作层 的抗 震性 能 以及 四铺 作 的协 同工作性能 ， 结合古建筑木结构振动 台试验 ， 课 题组 对 2组相 同材 料 、 相 同尺 寸 以及 相 同构 造 做 法 的四铺作 科棋 在 4 0 k N竖 向荷 载作 用下 以位移 加载 的方 式 在 柱 顶 施 加 低 周 反 复 荷 载 进 行 了 拟 静 力 试 验l 1 “ ] 如 图 6 a 所 示 。图 6 b 、 c 给 出 了 2组 四 铺作 科棋 低周 反 复 荷 载作 用 下 的滞 回耗 能 曲线 ， 按 照公 式 2 并借 助 于 Or i g i n 8 ． 0软 件对 图 6 b 、 c 2组 四铺 作 科棋 的“ 抵 抗 破坏 潜 能 ” 进 行 计 算 ， 结 果 如 表 3所示 。未 加 固 古 建 筑 木 结 构 振 动 台 试 验 结 果 显 示 ， 结构 倒塌 之后 科棋铺 作层 仅发 生 个别 销 栓破 坏 ， 因此 ， 对 于碳纤 维 布加 固古 建 筑 木结 构 的科 棋 铺 作 层来 说 ， 拼装 时 仅将 破 坏 的销 栓替 换 即可 ， 其 “ 抵 抗 破坏 潜 能” 与 未加 固结构 的科 棋铺 作层 “ 抵 抗 破坏 潜 能” 基 本 一致 。 表 3 四铺 作 料拱 抵 抗破 坏潜 能 f a 1 四铺作拟静力试验 A ／ mm b 试件1 滞回 耗能曲线 c 试件2 滞回耗能曲线 图 6 四铺作科拱 拟静力分析 根据图 6 计算得出的各工况地震作用下碳纤维 布加 固燕尾 榫柱 架 的累积 滞 回耗 能 以及 表 3计算 得 出的四铺作科棋的“ 抵抗破坏潜能” ， 按照公式 5 计 算 出四铺作抖棋 在各工况地震作用 下的破坏系数 F 如 表 4所示 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 薛建 阳， 等 碳 纤维 布加 固古 建筑木 结 构基 于结 构潜 能和 能量耗散 地震 破坏 评估 1 0 9 图 8燕尾 榫节点 C F RP加 固方案 图 9 C FRP加 固 古 建 筑木 结构 件破 坏 的影 响 。为 了 能够定 量地 评估 整 体 加 固结构 在 不 同工况 地 震 作 用 下 的破 坏 情 况 ， 结 合 前 面对 2 个 耗能元 件 地震 作 用 下 的 破 坏评 估 分 析 ， 借 助 能 量 分 配系数 寻 找耗 能元 件破坏 状 态与 整体 结 构破 坏 状 态之间的关系， 建立计算整体加 固结构在不 同地震 作用下的破坏评估模型。具体整体结构破坏评估模 型 如下 由于各耗 能元 件 i 燕 尾 榫 柱架 和 科 棋铺 作 层 的质量 、 刚度 以及 延性 等性 能参 数具 有较 大 的差异 ， 因此 在 每工况 矗地震 作用 下各耗 能元 件耗 散 能量 也 不 同 ， 两 耗能 元 件在 每 工 况 h地 震作 用 下 耗 散 的能 量之 和 可看作 整体 加 固结构 在该 工况 h地 震 作用 下 耗散 的总能量 w ， 即 2 W 一 W 6 z 1 为 了考察 各耗 能元 件在 每一 工况 h地 震 作用 下 对 整体 结构耗 能 的贡 献 比例 ， 引 入耗 能 元 件 的能 量 分 配 系数 E l 4 ] ， 则 有 、 W 一 7 显然 ， 对于整体加固结构来说 ， 能量分配系数 大 的构 件表 明该 构件在 地震 作用 下耗 散 的地 震能 量 较 多 ， 其 破坏 程度 也有 可能 随之 增大 。因此 ， 可将 结 构破 坏 程度 与地震 能量 分配 结合 起来 。每一 工况 地 震作用结束后 ， 结构整体破坏系数 等于各耗能元 件破坏系数 F 与能量分配系数 乘积的总和， 即 F 一 A F 8 h 1 2 ． 2碳 纤维 布 加 固整体 结构 地 震 破坏 评估 模 型 的 应 用 基 于碳纤 维 布加 固燕尾 榫柱 架 和科棋 铺 作层 两 耗能元件破坏评估 ， 结合碳纤维布加 固古建筑木结 构振 动 台试验 ， 根 据 公式 6 ～ 8 计 算 出碳 纤 维 布 加固木结构古建筑各工况地震作用下整体结构地震 破 坏 系数 F 如表 5所示 。 表 5 碳 纤维布加固古建筑木结构各工况地震作用下整体结构地震破坏 系数 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 0 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 5 卷 通过表 5得出的整体结构破坏系数并结合振动 台试验 现象 可 以得 出 ， 8度 区基 本 烈度 下 的地 震 ， 碳 纤 维布 加 固的 柱 架 破 坏 系 数 已经 超 过 0 ． 5 ， 说 明 加 固节点 已到 达 中等破坏 ， 需要 再次 修 复加 固 ， 榫 卯 节 点 由于承载力下 降， 科棋铺作层开始分担更多 的地 震 能量 ； 碳纤 维 布加 固古 建 筑木 结 构 在 经 历 8度 区 罕遇地震时， 整体结构 的破坏系数为 0 ． 3 4 8 ， 随着加 固节点 破坏 的 加剧 ， 科棋 铺 作 层分 担 越 来 越 多 的地 震能量， 但结构仍具有较强的整体稳定性 和承载力 ； 当地震峰值加速度为 5 0 0 g a l 时， 整体结构破坏系数 为 0 ． 4 1 9 ， 结 构 处 于 中等 破 坏 状 态 ， 此 时 ， 各 节 点 的 碳纤 维布 陆续 发生 断裂 ， 并沿纵 向发展 ， 结 构 的摇摆 幅度明显加大 ， 且铺作层发生较大的滑移， 整体结构 明显 进入 塑性 阶段 ； 随着 地震作 用 的增 加 ， 结构 有倒 塌 的趋 势 。 2 ． 3基 于破 坏程 度的 震害等 级划 分 参 照钢 筋混 凝 土结 构 中应 用 比较 广泛 的 P a r k An g [ 1 损伤破 坏 程度 分 类 ， 并 结 合 碳纤 维 布加 固古 建筑木结构振动台试验结果 以及整体结构 的破坏系 数 ， 表 6给 出 了古 建 筑木 结 构 整 体 结构 基 于破 坏 程 度 的震害 等级 。 表 6地震作用下碳纤维布加 固整体结构破坏 系数及对应震害等级 3 结论 借助碳纤维布加 固燕尾榫柱架和科棋铺作层 的 拟 静力试 验 以及 整 体加 固结 构 的 振 动 台试 验 ， 计 算 出了两 耗 能 元 件 在 低 周 反 复荷 载 作 用 下 所 具 有 的 “ 抵 抗破 坏潜 能” 和各工 况地震 作用 下 每一 耗能 元 件 所 耗散 的能 量 ， 并基 于 构件／ 结 构 的“ 抵 抗破 坏潜 能 ” 和能量 耗散 原理建 立 了碳纤维 布加 固古 建 筑木 结 构 各构 件及整 体加 固结 构在不 同工 况地 震作 用 下 的地 震破 坏评估 模 型 ， 为碳纤维布 加固古建筑木结 构 的震 前破坏预测和加 固古建筑木结构 的保护再修复提供 可靠 的理论 依据 。主要结论 有以下几点 1 碳纤 维 布加 固古建 筑木结 构在 小 震作 用 下 的 主要 耗能 元件 为 碳纤 维 布 加 固柱架 榫 卯 节 点 ， 但 随 着地 震强 度 的增大 ， 榫 卯节 点破 坏逐 渐加 剧 ， 抖 棋铺 作 层分 担的地 震能量 越 来越 多 。 2 利用构 件 地震 破 坏 评 估 模 型 ， 定 量 地 计算 出 了碳纤 维布加 固燕 尾榫 柱架 以及科 棋铺 作 层在 各 工 况 地震 作用下 的破 坏 系数 ， 碳纤 维 布 加 固燕 尾 榫 柱 架 由于粘合榫 卯本 身 的弱承 载力 以及碳 纤 维 布 的单 一 受 力性 能 ， 当地震 动 强度 为 8 0 0 g a l 时 ， 节 点 几 乎 完全退出工作 ， 破坏系数接近于 1 ； 而科棋铺作层即 使在 8度 罕遇地震 作用下 ， 其破 坏系数 也仅仅 在 0 ． 3 4左 右 ， 属于轻 微破 坏 。 3 基于能量分配系数建立的碳纤维布加固古建 筑木结构整体结构地震破坏评估模型 ， 较好地计算出 了整体加固结构在各工况地震作用下的破坏情况 ， 与 试验现象基本符合， 并基于破坏程度， 得出了整体加 固结构不同破坏系数对应的结构不同震害等级。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6 期 薛建 阳， 等 碳纤维布加 固古建筑木结构基于结构潜能和能量耗散地震破坏评估 1 1 1 参考 文献