会善寺大雄宝殿柱间斗栱足尺模型力学性能试验研究

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会善寺是河南省嵩山“天地之中”历史建筑群的代表建筑之一,它于1996年被公布为全国重点文物保护单位,随后在2010年又被列为世界文化遗产。会善寺大雄宝殿是会善寺的主体建筑,是我国现存少有的元代实物建筑例证之一,在建筑史上有着极高的艺术与科学价值。会善寺大雄宝殿檐下斗栱位于屋盖和梁柱之间,总计26朵,具有承接屋顶荷载、出挑屋檐、耗散能量等结构作用,是大雄宝殿的重要部位之一。由于自然气候多变、地震作用、木材老化等原因,大雄宝殿檐下斗栱部分构件出现了腐朽、劈裂、脱榫等破坏现象,严重影响到了大雄宝殿的安全使用和抵抗地震灾害的能力。目前国内外对斗栱的研究多局限于某一特定建筑,对会善寺大雄宝殿檐下斗栱的结构力学性能的科学研究处于空白,甚至对元代时期的斗栱研究也鲜有涉及。为了保证大殿整体结构的安全性能,郑州市世界遗产中心启动《“天地之中”历史建筑群现状、病害调查及数据库建设》(20160220A)项目,对会善寺大殿的现状和病害状况做详细的调查研究,并对其进行结构安全动态监测。受项目委托,课题组以会善寺大殿檐下柱间斗栱为研究对象,对其足尺模型开展了竖向静力加载和水平拟静力加载试验研究,其成果可为后期大殿结构的安全动态监测和数据库建设提供数据支持。本文具体完成如下相关工作:1通过对会善寺大雄宝殿现场调研和相关历史资料的整理,统计了檐下斗栱的现状,探讨了大雄宝殿檐下斗栱内部构件分类,剖析了檐下不同斗栱的构造特点及传力机制,为后期试验研究指奠定了基础;实测了大殿檐下斗栱的构件尺寸,拟定试件制作方案,采用传统榫卯工艺,制作足尺模型6朵,为后期的试验研究提供了研究对象。2对会善寺大雄宝殿2朵柱间斗栱的足尺模型进行了单调竖向静力加载试验。探讨了斗栱试件在竖向荷载作用下的变形及受力机理,归纳得出了竖向刚度理论计算模型。结果表明:竖向荷载作用下,栌斗与头昂、泥道栱交互处易发生剪切压裂破坏,属于斗栱试件的薄弱部位;斗栱的恢复变形能力较差,卸载结束存在残余变形(Z01:23.4mm,Z02:19.3mm);试验中斗栱具有较为良好的竖向承载能力(Z01:384kN,47.7mm,Z02:382kN,42.2mm);斗栱的分层变形峰值均为:头昂最大,二昂次之,蚂蚱头最小;试件竖向的延性系数较好,说明斗栱在竖向荷载作用下有一定的变形能力;试验加载到一定程度之后不同构件的应变大小排序为:泥道栱最大,瓜子栱次之,令栱最小,竖向荷载作用下,栌斗、头昂、泥道栱构件分担的内力最大,上部构件所受内力越小;在竖向荷载作用下,斗栱的竖向刚度计算模型可简化为三折线段模型。3对会善寺大雄宝殿2朵柱间斗栱的足尺模型开展X向水平拟静力加载试验。分析了斗栱X向在往复荷载作用下的破坏模式、抗震性能。重点讨论了斗栱的承载力、刚度退化、延性系数、强度退化、耗能能力等参数。结果表明:破坏的主要形式是裂缝、脱榫,垆斗是整朵斗栱中最薄弱的部位,容易发生折耳、压裂破坏;斗栱在X向受力产生侧向变形过程中,构件之间存在一定摩擦滑移及剪切作用,斗栱在控制位移较小时的运动以挤压变形为主,随着控制位移增大,构件间的相对摩擦滑移比例增加;滞回环饱和,反映斗栱有较好的耗能能力。初期加载过程中,斗栱各构件之间咬合挤紧,斗栱产生侧移的时,需要较大的外力,刚度值较大。加载后期,斗栱的各层构件处于较为稳定的滑移摩擦状态,刚度值较小;斗栱的耗能能力以摩擦滑移为主;斗栱的自身强度在加载初期时快速增加,中期强度有所降低,后期基本维持稳定;在低周反复荷载作用下,X向水平刚度计算模型可简化为三折线段形式。4对会善寺大雄宝殿2朵柱间斗栱的足尺模型开展了Y向水平拟静力加载试验。分析了斗栱Y向在往复荷载作用下的承载力、刚度退化、延性系数、强度退化、耗能能力等参数。结果表明:破坏形式主要为栌斗的折耳破坏,蚂蚱头与令栱之间的脱榫,泥道栱、头昂、慢栱产生水平裂缝;斗栱加载初期,所需要的力较大,整体表现出良好的弹性,刚度值较大;加载后期,由于斗栱各部件在控制位移较大的情况下发生挤压破坏,导致斗栱试件摩擦滑移明显,刚度值降低;控制位移较小时,斗栱的耗能主要是以构件之间的挤压和咬合为主,控制位移较大时,斗栱的耗能主要以摩擦滑移为主;X向的单次耗能值大于Y向的耗能值,同一控制位移下,X加载的所需要的力小于Y向;在低周反复荷载作用下,斗栱Y向水平刚度计算模型可简化为三折线段形式。
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