主余震序列作用下砖石古塔的地震损伤分析

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砖石古塔是中国古代建筑艺术的杰出代表,其具有自重大、材料强度低、塔体结构复杂等特点,在人为或自然因素作用下极易损伤。地震观测资料表明一次强震过后通常伴有余震发生,主震与余震之间时间间隔很短,使得主震作用下发生损伤的古塔无法得到及时修复,当余震发生时古塔发生“增量损伤”。为了研究主余震序列地震动作用下砖塔结构的损伤规律,本文以中江南塔为研究对象,结合小型振动台试验及数值模拟方法,研究了主余震序列型地震动下砖石古塔结构自振频率及损伤因子的变化、塔体地震损伤演化、结构动态响应特征,以及余震对受损结构潜在破坏可能性的影响,完成的主要工作如下:(1)相似关系的确定及相似试验模型的制作。以四川省中江县的中江南塔为原型,依据小型振动台台面尺寸及台面负重极限确定试验模型几何尺寸及几何相似比,结合试验模型材料物理力学参数确定弹性模量相似比和密度相似比,再根据相似定律确定加速度相似比,最终确定试验所需物理量的相似比。设计并制作试验模型,通过模态分析获得了试验模型的自振频率,与原型结构比较结果表明试验模型可较好地反映原结构的动力特性。(2)主余震序列下试验模型损伤分析。获得了主余震下砖石古塔的损伤演化、损伤模式及其发生机理。分析了主余震下结构动态响应的变化特征,并分析其原因。研究了主余震作用下结构前三阶自振频率及损伤因子随主震PGA及▽PGA的变化规律。结果表明在主余震序列作用下,塔体各层门窗洞口发生破坏,其中一层和六层发生水平向贯通裂缝,其原因为结构发生了以第二、三阶振型为主的振动响应。此外,对于发生中等破坏及以上的古塔,▽PGA大于0.2的余震会引起受损结构的进一步损伤。(3)主余震序列下有限元模型损伤分析。基于材性测试确定材料本构模型,进而建立结构有限元模型,比较了试验模型与有限元模型的动力特性。研究了主余震序列下结构的损伤情况及动态响应,并与试验结果进行比较。结果表明有限元模型可较好地反映结构动力特性,且结构损伤及动态响应与试验结果一致。结合试验与数值模拟结论对中江南塔提出了性能提升建议。(4)中江南塔原型结构易损性分析。针对中江南塔结构建立有限元模型,当VPGA分别为0.2和0.5时,开展增量动力分析(IDA)。获得了在主余震序列下及主震单独作用下的结构易损性曲线,比较了易损性曲线。结果表明:当主震PGA大于0.3g时,VPGA为0.2的余震会增加结构发生倒塌破坏的可能性;当主震PGA大于0.15g时,VPGA为0.5的余震会增加结构发生严重破坏及以上等级破坏的可能性;此外,VPGA为0.5的余震也会显著增加结构发生倒塌破坏的可能性。上述结论与小振动台试验结果反映的趋势较为一致。
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