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

王豆豆等

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枓栱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枓栱铺作层、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：TU366.12文献标志码：A文章编号：16744764（2013）06010309

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[1]。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[23]。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，在枓栱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[46]。因此，对于碳纤维布加固古建筑木结构来说，结构的破坏是因为枓栱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枓栱拟静力试验，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。

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枓栱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枓栱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）。

2.1整体加固结构地震破坏评估模型

根据振动台试验结果分析得出，地震作用下古建筑木结构发生倒塌（图7（a））之后的破坏情况如图7（（b）～（i））所示。从图中可以看出，东北角燕尾榫节点和西北角燕尾榫节点破坏相当严重，卯口发生断裂，且发生脱榫现象；东南角和西南角燕尾榫节点卯口局部出现竖向裂缝，但并未发生脱榫现象；东北榫头纵向开裂，其余榫头没有出现破坏；普拍枋在倒塌过程中被折断；柱头馒头榫在水平反复地震荷载作用下发生弯曲挤压破坏；枓栱在水平反复荷载作用下，主要破坏情况为暗榫的弯曲挤压破坏，而枓栱本身并未发生较大破坏；梁、柱构件基本完好。

未加固结构模型经过首次振动台试验倒塌破坏之后，根据试验中的破坏情况，分别对图7出现的不同破坏形态按照加固规范的规定[13]进行加固或者替换修复：将劈裂的榫头、卯口以及节点区域的外表面用丙酮清洗干净，以除去破损处以及外表面的污物，待丙酮完全挥发后，涂敷配套的树脂粘结剂，再用碳纤维布将受损的节点区域进行包裹拼装成加固模型如图8所示。各节点采用同一规格的、相同数量（层数、长度）的材料（碳纤维布和粘结剂）以及相同的加固方法，保证结构的各节点松紧程度尽量一致；同样对普拍枋破损处用用丙酮清洗干净后，再涂敷配套的树脂粘结剂将其粘好；对枓栱铺作层和柱头由于挤压导致破坏的榫头进行更换处理，然后将修复加固后的模型重新拼装如图9所示，并对加固后试验模型进行模拟地震动振动台试验研究。

3结论

借助碳纤维布加固燕尾榫柱架和枓栱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，枓栱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枓栱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800 gal时，节点几乎完全退出工作，破坏系数接近于1；而枓栱铺作层即使在8度罕遇地震作用下，其破坏系数也仅仅在034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。

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（编辑罗敏）