歷史建筑木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǎn)，具有極高的歷史、文化和藝術(shù)價值。但是由于經(jīng)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(jié)構(gòu)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(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)學模型，對歷史建筑木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)件多因子抗力隨機時變模型，以及歷史建筑木結(jié)構(gòu)的剩余壽命預測等問題。 本文在已有的木構(gòu)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(gòu)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(jié)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(gòu)件的四階段隨機模型進行了修正，轉(zhuǎn)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(diào)查統(tǒng)計結(jié)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(gòu)件的抗力衰減模型，為歷史建筑木結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀評價和剩余壽命預測奠定了基礎。 針對木構(gòu)件在結(jié)構(gòu)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(gòu)件的腐朽抗力衰減模型，采用國內(nèi)經(jīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)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(gòu)件抗力的影響程度，裂縫相對深度與構(gòu)件抗力之間的關(guān)系；從而得到干縮裂縫對木構(gòu)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(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(jié)構(gòu)的剩余壽命預測程序，該程序應用有限元方法計算結(jié)構(gòu)中構(gòu)件的應力水平，用MATLAB軟件計算構(gòu)件抗力衰減模型，兩者結(jié)合實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)維護的經(jīng)驗方法，為歷史建筑木結(jié)構(gòu)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