歷史建筑木結(jié)構(gòu)基于可靠度理論的剩余壽命評(píng)估方法研究.pdf

1、我國(guó)的歷史建筑木結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)、建造等方面具有明顯的獨(dú)特性，是我國(guó)建筑史上珍貴的歷史文化遺產(chǎn)，具有極高的歷史、文化和藝術(shù)價(jià)值。但是由于經(jīng)過(guò)數(shù)百年的風(fēng)化及自然界生物（包括昆蟲(chóng)和微生物）的侵害，存在不同程度的腐朽蟲(chóng)蛀和干裂現(xiàn)象，致使許多建筑嚴(yán)重破損，甚至消失。因此，研究古木結(jié)構(gòu)的抗力衰減規(guī)律，即研究木材腐朽、蟲(chóng)蛀、干縮裂縫和持續(xù)荷載效應(yīng)的時(shí)變規(guī)律、突發(fā)事件對(duì)古木結(jié)構(gòu)的抗力的影響程度、古木結(jié)構(gòu)的抗力衰減的數(shù)學(xué)模型，對(duì)歷史建筑木結(jié)構(gòu)的壽命延續(xù)具有重

2、要指導(dǎo)意義。本文以影響歷史建筑木結(jié)構(gòu)剩余壽命的各種因素為出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)研究了各個(gè)因素的影響機(jī)理、數(shù)學(xué)模型和木構(gòu)件多因子抗力隨機(jī)時(shí)變模型，以及歷史建筑木結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測(cè)等問(wèn)題。 本文在已有的木構(gòu)件持續(xù)荷載效應(yīng)的強(qiáng)度損傷累積模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)考慮年溫濕度變化的影響，對(duì)已有的木材短期損傷累積模型進(jìn)行了改進(jìn)，得到可以進(jìn)行長(zhǎng)期強(qiáng)度預(yù)測(cè)的損傷累積模型；并對(duì)損傷累積模型進(jìn)行積分修正，得到考慮持續(xù)荷載效應(yīng)的木構(gòu)件長(zhǎng)期強(qiáng)度衰減模型，使其與剩余壽命

3、預(yù)測(cè)的抗力理論相一致。 在總結(jié)已有的研究成果的基礎(chǔ)上，將澳大利亞Leicester R．H等人提出的蟲(chóng)蛀木構(gòu)件的四階段隨機(jī)模型進(jìn)行了修正，轉(zhuǎn)換為基于抗力理論的兩階段模型；根據(jù)蟲(chóng)蛀特點(diǎn)，提出了以蟲(chóng)蛀面積損傷變量衡量蟲(chóng)蛀的嚴(yán)重程度，并根據(jù)試驗(yàn)和調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果給出了蟲(chóng)蛀面積損傷變量的變化規(guī)律；推導(dǎo)了蟲(chóng)蛀木構(gòu)件的抗力衰減模型，為歷史建筑木結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。 針對(duì)木構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的不同部位和受力特點(diǎn)，提出了根據(jù)腐

4、朽等級(jí)考慮腐朽引起的材料強(qiáng)度衰減和有效截面損失的方法。然后據(jù)此推導(dǎo)了各類構(gòu)件的腐朽抗力衰減模型，采用國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)了抗彎腐朽木梁和地面上木柱的隨機(jī)時(shí)變抗力模型；采用澳大利亞的地下木材的腐朽深度—時(shí)間模型，推導(dǎo)了初始抗力為正態(tài)分布的隨機(jī)變量的墻內(nèi)木柱的隨機(jī)時(shí)變抗壓承載力模型，并采用該模型對(duì)某歷史結(jié)構(gòu)的木梁進(jìn)行了剩余壽命預(yù)測(cè)。 根據(jù)木材氣干過(guò)程中木材含水率變化和裂縫開(kāi)展的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了裂縫深度與含水率、裂縫深度與時(shí)間的擬合曲線，

5、并通過(guò)有限元方法模擬分析單面裂縫和雙面裂縫對(duì)構(gòu)件抗力的影響程度，裂縫相對(duì)深度與構(gòu)件抗力之間的關(guān)系；從而得到干縮裂縫對(duì)木構(gòu)件長(zhǎng)期抗力影響的數(shù)學(xué)模型。 綜合以上各個(gè)單因子抗力衰減模型，并假定蟲(chóng)蛀、腐朽、長(zhǎng)期荷載效應(yīng)和干縮裂縫為相互獨(dú)立的隨機(jī)變量，應(yīng)用隨機(jī)理論，得到了木構(gòu)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(jié)構(gòu)本身所具有的抗力變化的歷史信息對(duì)未來(lái)抗力發(fā)展的影響，本文采用Bayesian方法，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)已建

6、立的抗力影響因子的隨機(jī)時(shí)變模型進(jìn)行了修正。 編制了歷史建筑木結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測(cè)程序，該程序應(yīng)用有限元方法計(jì)算結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的應(yīng)力水平，用MATLAB軟件計(jì)算構(gòu)件抗力衰減模型，兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測(cè)，最后分別對(duì)某歷史建筑木桁架、某殿堂式木結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剩余壽命預(yù)測(cè)，驗(yàn)證了該程序的可行性。 總之，本課題的研究突破以往對(duì)歷史建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)方法，為歷史建筑木結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期維護(hù)和維修加固提供了一種更為科學(xué)的預(yù)測(cè)手段。應(yīng)用這種方