砖石古塔抗震性能评估方法及抗震加固措施研究

为了提高砖石古塔的抗震性能,针对其地震反应特点,研究了砖石古塔的抗震薄弱部位、抗震性能评估方法、评价指标以及抗震加固措施。主要研究结论为:（1）提出了采用极限承载能力与层间位移角2个指标综合评估砖石古塔的抗震性能,并通过工程实例验证了该方法的有效性。（2）提出了对穿锚杆锁定内外钢带围箍和竖向贯穿钢筋为主,聚丙烯酸脂乳液砂浆裂缝注浆为辅的砖石古塔综合抗震加固措施。（3）砖石古塔塔底截面为承载能力抗震薄弱部位,抗拉能力不足是导致塔体破坏的主要原因。（4）地震作用下,砖石古塔随着塔体层数的增加,层间位移角增大,顶层塔体为变形能力薄弱部位。该研究结果可为砖石古塔的抗震性能评估与抗震加固提供参考。     

砖石古塔抗震性能计算

砖石古塔为典型的中国古代建筑。由于建造年代久远,大多数古塔都遭受过地震的破坏。5.12汶川大地震对四川省都江堰奎光塔造成了严重的破坏。为了对其进行有效的抗震保护,本文结合奎光塔的结构特点,讨论了中国砖石古塔的抗震机理,得到了砖石古塔的抗震性能计算方法。     

砖石古塔震害程度与地震烈度的对应关系研究

依据四川省汶川地震中损伤的砖石古塔统计资料,结合现场考证和资料分析,探讨了古塔震害程度与地震烈度的对应关系.研究表明,砖石古塔因结构高大、材料老化,对地震作用较为敏感;在地震烈度Ⅵ度区域,52％以上的古塔出现局部损坏,在地震烈度Ⅸ度及以上区域,75％以上的古塔完全毁坏;按照中国现行抗震设防标准,在设防烈度Ⅵ度至Ⅸ度的范围内建立砖石古塔震害程度与地震烈度的表述关系是合适的.论文针对古塔的结构特征、地震损伤状况以及文物修复的要求,提出了古塔震害的分级定义,确定了砖石古塔震害程度与地震烈度对应的参考指标.     

砖石古塔基本周期的简化计算方法

古塔的自振周期是古塔损伤程度评价和抗震分析的重要参数。本文依据结构动力学基本理论和古塔动力特性实测数据,以砌体的材料性能、塔身厚度、塔身截面形状、塔身开洞率等关键参数为指标,通过古塔基本周期的理论分析和计算机模拟,提出了基于弯曲悬臂杆模型的四系数简化计算公式。按照该公式对14座典型砖石古塔的基本周期进行了计算,并与现场实测值做了对比,表明该公式计算精度满足工程要求,可用于多种类型砖石古塔的动力特性估算。     

地铁车站与隧道连接处地震响应分析

结构截面刚度突变处是地下结构抗震的薄弱部位,为研究地铁车站与隧道连接处的地震响应,本文建立有限差分数值模型,分析地震作用下车站与隧道连接处的薄弱部位、连接处附近的侧墙变形分布特征以及地表沉降分布特征,重点探究埋深、地震动特征以及周围土体刚度对连接处隧道应力的影响。结果表明:连接处端墙底部跨中、端墙洞口的顶部和底部是抗震的薄弱部位;连接处端墙存在对侧墙变形分布、地表沉降分布有一定影响;结构埋深,地震动频谱、幅值对连接处隧道应力响应有较大影响,结构周围土体的刚度在一定范围内对连接处隧道应力有较大影响。     

双层打包带加固窗间墙抗震性能试验研究

地震时砌体结构窗间墙易发生破坏,为了提高其抗震性能,对高宽比为1的2组共4片墙体,其中:2片为双层打包带加固墙体,2片为原墙,进行了拟静力试验,研究墙体的破坏形态、水平承载力、滞回曲线和耗能等抗震性能。试验发现原墙发生剪切破坏,加固后墙体发生摇摆破坏,加固改变了墙体破坏模式,加固后墙体滞回曲线饱满但有捏笼,破坏荷载、延性和耗能能力都有提高,破坏时未发生剥离,表明双层打包带加固法有效地提高了窗间墙体抗震性能,对承受较大竖向应力墙体效果更好,建议加固时要加强加固层与窗下和窗上墙体的连接。     

基于柱顶隔震的3层3跨地铁地下车站结构抗震性能研究

针对3层3跨框架式地铁地下车站结构抗震薄弱构件,采用在柱顶不同位置设置铅芯橡胶隔震支座的方法,建立土-地下连续墙-主体结构非线性静动力耦合相互作用的二维整体时域有限元分析模型,分析柱顶隔震支座对车站主体结构的侧向变形、地震损伤和动应力反应等结构地震反应特性的影响。结果表明,仅在抗震薄弱的顶层和底层中柱柱顶设置2层隔震支座与各层中柱柱顶设置3层隔震支座均可有效减轻中柱地震损伤程度,提高车站结构整体抗震性能。然而,仅在顶、底层中柱柱顶设置2层隔震支座时,会明显加重未设置隔震支座的中间层中柱地震损伤程度。此外,柱顶隔震支座的设置会削弱隔震体系的整体抗侧移能力,从而增大地铁地下车站结构地震侧移。总体上,建议采用各层中柱柱顶均设置隔震支座的措施提升地铁地下车站结构的整体抗震性能。     

复杂大型地铁地下车站结构非线性地震反应分析

以苏州地铁一号线的星海站为工程背景,对上层为五跨和下层为三跨的地铁车站结构的抗震性能进行数值计算,考虑了土体与混凝土的强非线性特性和土与结构接触非线性特性,分析了结构的层间位移反应特征和结构构件连接部位的应力反应规律,以及结构构件的动态损伤演化规律.研究结果表明:车站结构柱子底端的应力反应大于顶端的应力反应,边柱底端的反应大于中柱底端的反应,下层柱底的应力反应大于上层柱底的应力反应;车站结构的上层侧墙的顶底部结点的应力反应明显比下层侧墙的对应位置结点处的要大;车站结构顶板的中跨端部结点的应力反应明显比侧边跨和侧中跨的要大;车站结构中板的侧中跨端部的应力反应明显比中跨端点处的要大,同时中跨端点处的应力反应又要比侧跨端部的要大;下层右中柱及下层侧墙底部外侧均为破坏最为严重的区域.研究成果对提高该类地铁车站结构抗震性能的认识及其抗震设计水平提供合理的参考与指导.     

隧道爆破施工影响下地面既有高耸结构抗震性能分析

为研究地下隧道爆破施工影响下的气象塔高耸结构抗震性能的安全问题,建立隧道爆破施工地震动荷载的确定方法以及隧道施工爆破振动能量的计算方程,重点探讨了地下隧道爆破施工影响下的气象塔高耸结构的位移场分布与地震动力响应,对比分析了地下隧道爆破施工影响下气象塔不同位置的动力响应的差异。结果表明:爆破地震波属近源脉冲型破坏地震波,横波的破坏能力与其破坏能量及强度有关,高细型的气象塔结构质量和刚度突变的结构薄弱层处应力突变现象明显,顶部雷达受鞭梢效应的影响较大,爆破地震动对其动力响应的放大效应明显,严重降低了地面高耸结构的抗震性能。     

地震作用下夯土城墙动力响应分析——以山丹明长城为例

2022年1月8日门源M6.9地震造成山丹明长城局部破坏。为研究此次地震作用下夯土城墙的动力响应与破坏特征,基于地震现场考察结果,采用振幅等效处理后的记录地震波为输入地震动,开展双向地震荷载作用下夯土城墙的动力响应数值分析,研究不同位置测点的最大位移、峰值加速度与墙体应力分布特征,探讨地震导致夯土城墙破坏的主要内因。研究结果表明：双向地震荷载作用下,墙体位移和峰值加速度(PGA)随着高度的增加逐渐增加,但距墙体底部0.5 m高度范围内PGA放大效应不明显,最大位移、加速度均出现在墙体顶部裂缝位置处;水平地震荷载作用下墙体的地震动响应更为显著;墙体的最大主应力、最大剪应力均出现在有裂缝处的底端掏蚀悬空部位,墙体裂缝、夯筑搭接、掏蚀悬空处应力集中明显;裂缝对夯土城墙的地震动放大效应在一定高度范围内表现为弱化作用,但随高度增加逐渐过渡为强化作用;裂缝可显著增强墙体顶部地震动响应,可能是本次地震诱发城墙破坏的主要内因。研究成果可为古城墙遗址的加固修缮提供科学指导。     

基于ECC的小雁塔抗震加固性能分析

高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)是一种高强度、高延性的新型建筑材料,在加固工程中具有广泛的应用前景。本文利用ECC的高延性和抗剪性,提出一种采用ECC面层加固小雁塔的保护方案,以提高古塔抗震性能;通过有限元软件ANSYS进行模拟分析,比较了小雁塔加固前后的地震响应。分析结果表明:采用ECC面层加固可显著增强塔身整体的延性和承载力,有效地提高塔体损伤容限,为ECC在古塔抗震加固的实际应用中提供借鉴,可作为古塔抗震保护的新途径。     

混凝土多孔砖和组合配筋砖小截面墙体抗震性能的试验研究

针对农村窗间墙过窄的现状,提出一种组合配筋砌体以抵抗地震剪力,并提出混凝土多孔砖组合配筋砌体的参考公式.通过对混凝土多孔砖和组合配筋砖小截面墙体进行反复荷载下的抗震性能试验研究,讨论两种不同类型砌体的破坏特征、滞回特性、骨架曲线和抗剪强度等问题.组合配筋砌体与无筋砌体相比,抗震性能明显提高,延性增强.结果表明组合配筋砌体是一种能够明显改善小截面墙体抗震性能的实用方法,可在农村地区推广.     

嵩岳寺塔地震响应及最不利受力状态分析

采用数值模拟方法对嵩岳寺塔在多遇、设防和罕遇地震作用下的地震响应及最不利受力状态进行了分析,为后续结构安全动态监测提供了基础数据。分析结果表明:质量和刚度关于中轴面呈对称分布,塔身结构整体性较好。地震作用下,结构呈现一阶弯曲变形,没有表现出明显的鞭梢效应。1层塔身的变形最为严重,是结构的薄弱环节。罕遇地震作用下,上部塔身开始进入弹塑性状态,其他情况下仍处于弹性状态。结构承压性能较好,但门洞顶部的水平抗拉承载力存在一定不足,7层以下塔身外侧的竖向抗拉承载力存在一定不足,12层以下塔身中轴面附近的抗剪承载力存在一定不足,且门洞顶部受剪最严重。     

门窗间砌体墙抗震性能试验及转动变形机理分析

砌体墙弹性计算采用的无转动假定与砌体房屋震害中所表现的墙体破坏模式不完全相符,砌体墙的转动变形是墙体受力过程中总变形的重要组成部分,转动失效也是一种典型的破坏模式。在前期试验研究基础上,进行了3片足尺门窗间砌体墙试件的低周反复荷载试验,立面形状为“凸”形和“L”形,介绍了试件的破坏过程及转动现象,分析了试件的滞回曲线和承载力差异;探讨了门窗间砌体窗间墙的转动变形机理,并分析了材料强度、竖向荷载和立面形状等因素对砌体墙转动变形的影响。研究结果表明:本文荷载及约束条件下,门窗间砌体墙试件均表现出明显的转动失效特征,属于窗间墙转动或窗间墙连带窗下墙整体转动失效的破坏模式;砌体墙发生受剪破坏或转动失效的关键在于窗间墙水平截面的受剪能力是否大于其受到的水平荷载;砌体材料强度越高、高宽比越大和立面对称性越差,砌体墙越容易出现转动变形现象以及发生转动失效,反之则容易发生受剪破坏。本文试验以及研究内容关注了门窗间砌体墙在受力全过程中实际存在而又常常被忽略的转动变形问题,试验数据及研究结论可为更加深入地了解砌体墙的变形机制提供参考。     

动载下无筋砌体墙的应力场及裂隙分布

为探索动载下建筑物墙体失稳的力学机制,基于弹性力学理论,分析一端刚性固定无筋砌体墙受垂直地震波扰动时的应力场分布规律,得到墙体的应力解析表达式,结果显示应力特征由墙体质点振速、墙体恒载、墙体密度及其几何尺寸等因素共同决定。结合具体算例发现:墙体水平应力、垂直应力与剪应力具有不同的分布特征。水平应力值分别是剪切和垂直应力值的5倍和25倍,为墙体应力场的主控应力,其应力集中区位于刚性固定侧墙体的顶、底角,应力变化梯度为180MPa/m,且随地震强度增加,其应力场进一步向墙体刚性固定侧集中。在此基础上,基于主应力主导墙体裂隙的原则,预测了墙体张开型裂隙的分布位置、长度及角度,获得了墙体最易出现破坏失稳的部位。通过模型计算可为掌握动载下墙体力学行为提供参考。     

基于IDA方法的小雁塔结构抗震性能评估

以小雁塔结构为原型,通过试验研究建立其材料本构模型;应用IDA分析方法,建立IDA分析曲线并对小雁塔结构进行增量动力弹塑性分析,判断小雁塔结构的最不利位置,定义IDA分析的极限状态;将IDA曲线的斜率下降幅值与小雁塔结构性能水准相对应,划分小雁塔结构的性能水准指标;通过对小雁塔结构在增量地震动强度作用下地震响应分析和不同性能状态下各层的楼层位移和层间位移角的变化规律,对小雁塔结构进行了抗震性能评估;研究表明:基于IDA分析方法的小雁塔抗震性能评估可以考虑结构抗震能力的随机因素,精确地描述小雁塔结构在地震过程中的行为。该方法为类似砖石古塔结构的抗震性能评估提供了新途径。     

桩基对进水塔塔基动力稳定性影响研究

进水塔是水利工程的重要组成部分,具有塔身高、塔壁薄等特点,在地震工况下容易发生结构失稳破坏。针对进水塔地震工况下抗滑抗倾覆能力差的问题,提出加设灌注桩的方法提高塔基的动力稳定性,并以甘肃省某引水工程进水塔为例,采用有限单元法,从桩基对进水塔塔体应力、桩基受到的剪力和弯矩及地基位移分布情况三个方面分析灌注桩对进水塔塔基动力稳定性的影响。分析得到:加设灌注桩可降低塔体中下部的应力值,并改善该处的应力分布;塔基高程处的灌注桩所受到的剪力和弯矩较小;加设灌注桩后,塔底附近的位移量值有所减小,且没有出现明显的潜在滑移圆弧面。说明设置桩基加固进水塔地基的措施提高了进水塔地基的动力稳定性。     

带纵向加强肋复合墙结构动力反应分析

采用脉动测试法测试带纵向加强肋复合墙结构示范工程房屋的动力特性,从而确定结构的自振频率;建立结构有限元数值模型,对该结构进行弹性及弹塑性时程分析,研究结构的动力反应,进而评估低层带纵向加强肋复合墙结构的抗震能力。动力反应分析结果表明:结构的破坏按先砌块后框格的顺序分阶段进行,带纵向加强肋复合墙结构具有两道抗震防线。结构变形以剪切变形为主,罕遇地震作用下结构损伤主要集中在门窗联肢墙体上,且门窗联肢墙体中窗洞两侧砌块的损伤程度最大,洞顶肋格砌块次之,洞底肋格砌块最小。最大层间位移角为1/773,结构表现出较强的抗倒塌能力。