考虑腐朽的古建木结构材料劣化规律与损伤演化研究

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腐朽会导致木构件力学性能急剧下降,是影响木结构安全性和耐久性的重要因素。目前对木结构腐朽的研究主要集中在腐朽机理解释、防腐措施、腐朽后的加固技术等方面。这些研究通常都是在木结构发生腐朽之后进行的,属于事后性维护,不仅耗费大量财力,而且维护效果不佳。为了评估木结构当前的服役状态、预知其今后的发展态势,治结构之未病,有必要探究腐朽对木构件抗力劣化规律的影响,从而为研究腐朽木结构的损伤演化和预后提供依据。因此,本文首先对木材试件进行了室内加速腐朽试验,揭示了实验室环境下木材力学性能指标的退化规律;其次根据自然环境下腐朽深度时变模型,建立了木构件的抗力衰减规律;然后以弹塑性力学及损伤力学为基础,推导建立了木材受腐朽损伤的本构模型,通过材性试验验证了本构模型的正确性;最后以七家楼为研究对象,对其进行了20年的损伤演化分析,并通过监测数据验证了本构模型及损伤演化的有效性。本文主要的研究工作和取得的成果如下:(1)开展了木材室内加速腐朽试验研究。对木材试件分别进行了0、14、28、42、56、70、84天的室内加速腐朽试验,揭示了木材试件力学性能指标的退化规律,推导建立了实验室环境下木材试件等效腐朽深度的计算方法。(2)进行了自然环境下腐朽深度时变模型及木构件抗力衰减模型研究。对实验室环境下的腐朽速率进行温度、湿度、木材耐腐性等因素的折减,得到了自然环境下的腐朽速率,进而建立了自然环境下腐朽深度的时变模型。利用材料力学理论,建立了木梁、木柱的抗力与腐朽深度的关系,再结合腐朽深度时变模型推导建立了木梁与木柱的抗力衰减模型。(3)开展了考虑腐朽损伤的木材本构模型研究。以弹塑性力学及损伤力学为基础推导了腐朽木材的本构模型,并将其编写成UMAT子程序嵌入ABAQUS中进行计算。试验结果与模拟结果最大误差为8.26%,试验曲线与模拟曲线吻合度较好,表明提出的本构模型可以较为准确地描述受腐木材的力学行为。(4)基于以上研究成果,对某历史文化名居进行了损伤演化研究。建立了七家楼某一榀框架的有限元模型,对其进行了20年的损伤演化,将SHM系统采集的数据与损伤演化结果对比,验证了损伤演化及本构模型的有效性。并预测了梁、柱、榫卯节点未来的发展趋势,为七家楼的修缮保护工作提供技术支撑。
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