歷史建筑木結構基于可靠度理論的剩余壽命評估方法研究.pdf

1、我國的歷史建筑木結構在設計、建造等方面具有明顯的獨特性，是我國建筑史上珍貴的歷史文化遺產，具有極高的歷史、文化和藝術價值。但是由于經過數(shù)百年的風化及自然界生物（包括昆蟲和微生物）的侵害，存在不同程度的腐朽蟲蛀和干裂現(xiàn)象，致使許多建筑嚴重破損，甚至消失。因此，研究古木結構的抗力衰減規(guī)律，即研究木材腐朽、蟲蛀、干縮裂縫和持續(xù)荷載效應的時變規(guī)律、突發(fā)事件對古木結構的抗力的影響程度、古木結構的抗力衰減的數(shù)學模型，對歷史建筑木結構的壽命延續(xù)具有重

2、要指導意義。本文以影響歷史建筑木結構剩余壽命的各種因素為出發(fā)點，系統(tǒng)研究了各個因素的影響機理、數(shù)學模型和木構件多因子抗力隨機時變模型，以及歷史建筑木結構的剩余壽命預測等問題。 本文在已有的木構件持續(xù)荷載效應的強度損傷累積模型的基礎上，通過考慮年溫濕度變化的影響，對已有的木材短期損傷累積模型進行了改進，得到可以進行長期強度預測的損傷累積模型；并對損傷累積模型進行積分修正，得到考慮持續(xù)荷載效應的木構件長期強度衰減模型，使其與剩余壽命

3、預測的抗力理論相一致。 在總結已有的研究成果的基礎上，將澳大利亞Leicester R．H等人提出的蟲蛀木構件的四階段隨機模型進行了修正，轉換為基于抗力理論的兩階段模型；根據(jù)蟲蛀特點，提出了以蟲蛀面積損傷變量衡量蟲蛀的嚴重程度，并根據(jù)試驗和調查統(tǒng)計結果給出了蟲蛀面積損傷變量的變化規(guī)律；推導了蟲蛀木構件的抗力衰減模型，為歷史建筑木結構的現(xiàn)狀評價和剩余壽命預測奠定了基礎。 針對木構件在結構中的不同部位和受力特點，提出了根據(jù)腐

4、朽等級考慮腐朽引起的材料強度衰減和有效截面損失的方法。然后據(jù)此推導了各類構件的腐朽抗力衰減模型，采用國內經驗公式推導了抗彎腐朽木梁和地面上木柱的隨機時變抗力模型；采用澳大利亞的地下木材的腐朽深度—時間模型，推導了初始抗力為正態(tài)分布的隨機變量的墻內木柱的隨機時變抗壓承載力模型，并采用該模型對某歷史結構的木梁進行了剩余壽命預測。 根據(jù)木材氣干過程中木材含水率變化和裂縫開展的試驗數(shù)據(jù)，建立了裂縫深度與含水率、裂縫深度與時間的擬合曲線，

5、并通過有限元方法模擬分析單面裂縫和雙面裂縫對構件抗力的影響程度，裂縫相對深度與構件抗力之間的關系；從而得到干縮裂縫對木構件長期抗力影響的數(shù)學模型。 綜合以上各個單因子抗力衰減模型，并假定蟲蛀、腐朽、長期荷載效應和干縮裂縫為相互獨立的隨機變量，應用隨機理論，得到了木構件在這些因素的共同作用下的多因子抗力衰減模型。為了考慮服役歷史木結構本身所具有的抗力變化的歷史信息對未來抗力發(fā)展的影響，本文采用Bayesian方法，用實測數(shù)據(jù)對已建

6、立的抗力影響因子的隨機時變模型進行了修正。 編制了歷史建筑木結構的剩余壽命預測程序，該程序應用有限元方法計算結構中構件的應力水平，用MATLAB軟件計算構件抗力衰減模型，兩者結合實現(xiàn)對結構的剩余壽命預測，最后分別對某歷史建筑木桁架、某殿堂式木結構進行了剩余壽命預測，驗證了該程序的可行性。 總之，本課題的研究突破以往對歷史建筑木結構維護的經驗方法，為歷史建筑木結構的長期維護和維修加固提供了一種更為科學的預測手段。應用這種方