【摘 要】
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梁思成先生曾言:“中国木结构体系竟能在如此广袤的地域和长达四千年的时间中长存不败,且至今还在应用而不易其基本特征,这一现象,只有中华文明的延续性可以与之相提并论。因为,中国建筑本来就是这一支文明不可分离的组成部分”。中华民族历史悠久,在漫长的历史长河中,以木结构为主的建筑形式是我国古代劳动人民智慧和汗水的结晶。木材作为生物建材,固然具有轻质高强、易加工、可循环、无污染等诸多优点,然而在自然的侵蚀和
【基金项目】
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高等学校学科创新引智计划(B13002); 国家自然科学基金优秀青年基金项目(51422801):结构工程; 国家自然科学基金面上项目(51778045):藏式古建石砌体结构静动力性能研究; 国家自然科学基金面上项目(51878034):累积残损变形对古建筑木结构力学性能的影响;
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梁思成先生曾言:“中国木结构体系竟能在如此广袤的地域和长达四千年的时间中长存不败,且至今还在应用而不易其基本特征,这一现象,只有中华文明的延续性可以与之相提并论。因为,中国建筑本来就是这一支文明不可分离的组成部分”。中华民族历史悠久,在漫长的历史长河中,以木结构为主的建筑形式是我国古代劳动人民智慧和汗水的结晶。木材作为生物建材,固然具有轻质高强、易加工、可循环、无污染等诸多优点,然而在自然的侵蚀和战争的破坏之下,得以完整留存至今的木结构古建筑可谓凤毛麟角。保护古建筑木结构不但是保护其所承载的厚重历史,更是保护中国的优秀传统文化。古建筑木结构得以矗立百年而不倒,除了其建筑结构形式的科学性之外,很大程度上还源于木材料优秀的力学性质。对于古建筑木结构的研究,无论是结构承载力、变形等静力计算,还是地震作用或环境振动下的动力响应分析,再或是基于仿真模型的有限元分析等,都需要准确的建筑材料力学参数作为基础。然而,古建筑木材料不同于新材,在长期荷载作用以及各种环境因素的影响下,不仅不同类型的古建筑木构件,甚至同一构件上不同部位处的木材料的力学性质都可能出现不同程度的退化,这就给古建筑的保护和研究工作带来很大的困难。针对这一问题,本文以藏式古建筑木结构为研究对象,采用实验室力学试验、现场无损检测以及数值模拟和理论分析相结合的方法,对藏式古建筑木材力学性质的现状、退化规律、预测方法以及古建筑木构件剩余寿命预测方法等进行了一系列研究。论文的主要研究内容如下:(1)在考虑受荷历史的基础上,对藏式古建木结构的藏青杨替换梁构件进行了细致的锯解分区,并测试了藏青杨古建木材无疵试样在三个主方向或主平面的弹性模量、泊松比、剪切模量、抗压强度、抗剪强度,以及顺纹抗拉强度和弦向抗弯强度。试验中,针对古建筑木材料有限的实际情况,设计了尺寸更小的非标抗压、抗拉、抗剪试样并研究了古建木材弹性参数的拉压不等性、加载速率对木材抗拉性质的影响规律以及Iosipescu剪切试样开口形式对剪应力分布的影响规律,为针对古建筑木材料的力学性质研究方法提供了参考。(2)通过进行不同锯解位置处藏青杨古建木材力学性质差异的显著性分析,证实了古建筑木材力学性质评估需要区分取材部位的必要性。结合现有研究中关于心材和边材力学性质差异的变异模型,以及藏式古建木结构梁构件在300年服役期间的蠕变数值模拟结果,对不同取材部位处的藏青杨古建木材抗压强度出现显著差异的原因进行了定量分析。(3)开展了藏青杨古建木材无疵试样的实验室无损检测,通过线性相关性分析,建立了藏青杨古建木材力学性质参数与无损检测指标之间的函数关系,并讨论了无损指标类型、测点数量和位置对相关系数的影响规律。在无疵试样研究的基础上,开展了古建木结构的现场无损检测,并预测了在役构件的力学性质。(4)在考虑木材真实微观组分构成的基础上,提出了改进的木材连续微观力学模型。对比了杨木弹性参数的模型计算值与藏青杨试验值,验证了模型在预测部分弹性参数时的有效性,并在此基础上讨论了杨木各类微观组分体积比变化对弹性参数的影响规律。(5)针对木材寿命预测研究中常用的Gerhards模型,分析了不同模型参数的适用范围。推导了分别适用于预测线形加载工况和恒定加载工况下木材寿命的SGR和SGC模型。针对古建筑木材长期承受恒定荷载的情况,在SGC模型的基础上提出了木材强度退化模型,并分析了木材剩余强度和剩余寿命关系。图91幅(子图267幅),表90个,参考文献266篇。
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