砖石古塔是一种历史宗教建筑,也是我国古代“高层建筑”的典范。它为世人展现了古代建筑艺术、材料技术、营造能力等古匠人建造技艺,同时也反映了相应建造年代社会历史、宗教文化、经济水平等历史信息。砖石古塔作为我国古建筑历史代表,载誉了中国五千年文明史,但由于其建造年代较长,砖石结构古塔受自然侵蚀及灾害、人为损伤较为严重,结构本体抵抗灾害能力降幅较大,对砖石结构古塔本体亟需进行保护。但是,对于砖石结构古塔本体评估方法、保护理论、保护技术等方面的研究较少且不尽完善,在砖石结构古塔本体评估、保护方面还需进行更为深入的研究。本文基于对古灰浆和性能增强材料的相关试验研究,以小雁塔为研究对象,研究了砖石古塔无损性能增强技术,主要工作如下:(1)参照历史文献材料和制作工艺,选取古糯米灰浆、古麻刀灰浆和古混合灰浆为基材,改性环氧树脂、甲基丙烯酸甲脂和甲基硅酸钠为性能增强材料,通过相似性模拟分析与正交试验设计,模拟制作了24组共108块古糯米灰浆、古麻刀灰浆、古混合灰浆的立方体试块和棱柱体试块,其中基材立方体试块各3块(共9块)、棱柱体试块各6块(共18块),将各基材试块分别浸入改性环氧树脂、甲基丙烯酸甲脂或甲基硅酸钠性能增强材料的立方体试块各3块(共27块)、棱柱体试块各6块(共54块),并进行了相应的力学性能试验和分析。结果表明,3种基材古灰浆的立方体抗压强度、棱柱体峰值应力均较低,浸入改性环氧树脂、甲基丙烯酸甲脂和甲基硅酸钠性能增强材料后,性能增强古灰浆立方体抗压强度和棱柱体峰值应力、峰值应变、极限应变、弹性模量等均有明显改善,其中立方体抗压强度提高了约18.8-60.0%,棱柱体峰值应力提高了约17.5-40.7%,并且浸入改性环氧树脂和甲基丙烯酸甲脂提高的较为明显。(2)基于对古灰浆和性能修复古灰浆的试验和分析,选取古青砖和古糯米灰浆为基材,制作了9组共54件模拟古砌体轴心受压试件和9组共81件受剪试件。选用改性环氧树脂和甲基丙烯酸甲脂为性能增强材料,在已制作好的试件中取6组共36件古砌体轴心受压试件和6组共54件古砌体受剪试件,采用“浸渗法”对基材试件进行无损性能增强,并进行了相应的对比性能试验,研究了采用“浸渗法”浸入性能增强材料对古砌体基材无损性能增强的可行性。结果表明,上述2种性能增强材料均可明显提高古砌体基材的受压强度和受剪强度,提高值约为6.0-40.5%,同时拟合了古砌体基材、浸入改性环氧树脂或甲基丙烯酸甲脂砌体的应力-应变曲线,建立了相应的本构模型。此外,试验后对“浸渗法”无损修复砌体试件灰浆检查表明,无损修复性能增强材料可以充分浸入已固结的古灰浆中,浸入效果良好。(3)采用古青砖和古糯米灰浆为基材,改性环氧树脂和甲基丙烯酸甲脂为性能增强材料,模拟制作了8片厚度分别为240mm、370mm、490mm的古砌体墙体试件,其中对3片不同厚度(240mm、370mm、490mm)的墙体浸入改性环氧树脂,对2片不同厚度的墙体(240mm、490mm)浸入甲基丙烯酸甲脂,进行了古砌体墙体试件和性能增强墙体试件的低周反复拟静力试验,研究了古砌体墙体和性能增强古砌体墙体在地震作用下的破坏机理,分析了试件的开裂荷载、破坏荷载、恢复力特性和耗能性能,建立了相应的恢复力模型,确定了试件的等效阻尼比。结果表明:对于3种不同厚度的墙体试件,性能增强墙体试件比古砌体墙体试件的开裂荷载、破坏荷载、耗能能力等均有不同程度的提高,变形能力得到了比较明显的改善,抗侧移刚度也有一定程度的提高,说明浸入改性环氧树脂或甲基丙烯酸甲脂能够明显提高古砌体墙体的抗震性能,可用于砖石结构古塔的无损性能增强和抗震保护。此外,试验结果还表明,浸入改性环氧树脂增强墙体试件性能优于甲基丙烯酸甲酯。(4)综合考虑小雁塔的文物价值和保护意义,详细查阅了小雁塔的历史修缮档案,现场全面分析了小雁塔本体结构现状,对小雁塔本体结构砌筑材料强度、本体结构修复历史、本体结构现有损伤情况进行了相应的调查研究。现场对小雁塔结构进行了动力特性测试,对其结构动力特性及动力灾变特点进行了分析。建立了小雁塔本体结构有限单元分析模型,分析了本体结构动力特性及模拟地震加速度作用下的整体结构动力响应。综合现场测试及有限元分析结果,采用极限承载力、位移综合法对小雁塔本体结构现状的抗震性能进行了评估。(5)根据相似形理论对小雁塔本体进行了模型结构设计,制作了几何相似比为1/10的模型结构,采用“浸渗法”对模型结构浸入改性环氧树脂并进行局部结构修复,对基材模型和无损性能增强模型进行了26种工况下模拟地震振动台试验,对地震作用下基材模型和无损性能增强模型的塔体加速度、位移等动力响应参数进行了研究,探讨了小雁塔结构模型在地震作用下动力响应的特点以及变化规律。模拟试验结果表明,性能增强模型结构与原模型结构相比,在相应地震工况作用下,塔身高度方向结构动力位移响应均有不同程度的减小,位移响应降低较大位置位于塔身中部、顶部,平均位移响应可达约20%。同样工况和8度大震下,性能增强模型结构几乎无裂缝,而原模型结构在8度小震时已经开裂。(6)以小雁塔原型结构资料为基础,采用ANSYS有限元软件,对小雁塔本体结构建立有限单元分析模型,对模型结构在多工况作用下进行了有限元计算。分析了基材结构和采用“浸渗法”分别浸入改性环氧树脂、甲基丙烯酸甲脂材料性能增强小雁塔结构在8度大震下的抗震性能,讨论了小雁塔原型结构的无损性能增强效果。结果表明,浸入改性环氧树脂对小雁塔原型结构性能增强幅度较大,在8度大震下位移响应降低可达30%左右,同时结构各层层间位移角也相应减小,降低了地震作用下小雁塔塔身出现严重损坏或倒塌的可能性。综合以上研究内容及结果,本论文基于小雁塔本体结构地震动灾变保护提出了一种新的思路、方法,同时也是对砖石结构古塔无损性能增强保护的一种通用方法,具有一定的工程应用实践远景。