CN112049453B - 提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升古建筑砖柱稳定性的装置及其承载力确定方法，古建筑包括砖柱和砖柱顶部的木梁，该提升古建筑砖柱稳定性的装置包括：U形卡、拉索、锚固件和销轴；其中，砖柱的两侧均设置有一根或多根拉索，拉索的一端通过销轴与位于木梁内侧下方的锚固件铰接，拉索的另一端绕过砖柱顶部并放置于木梁上的U形卡中，对拉索施加预拉力后，拉索的另一端与位于木梁外侧下方的锚固件固定铰接，锚固件固定于与古建筑不相关的结构上；U形卡设置在木梁的顶部，并依靠拉索施加预拉力对U形卡产生压力以与木梁贴紧。本发明的装置既不破坏原有古建筑砖柱结构，同时又能够提升原有结构水平承载能力,实现了对文物建筑修缮保护最小干预且可逆的原则。

Description

提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法

技术领域

本发明涉及古建筑砖石质砌体结构安全稳定领域，具体涉及一种提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法。

背景技术

砖石质古建筑材料老化，砌块与砌块间粘结力较小，甚至有的石质古建筑采用干砌方式，砌块间没有砂浆，抵抗水平荷载主要依靠砌块界面摩擦力及砌块间的粘结力，具有非线性离散体特征，可见古建筑砌体结构承载机理与现代砌体结构明显不同，因此，采用现代结构技术来评估砖石质古建筑结构承载力是不科学的。

目前许多针对古建筑安全稳定的加固装置及方法只注重弹性阶段安全性，而忽视了古建筑从加载至破坏全过程的结构力学特性，无法充分揭示古建筑在各阶段的受力特性，不能满足对古建筑在各阶段荷载或变形下的安全性要求，如论文《砖石古塔抗震性能计算》西北地震学报，第33卷增刊，2011年8月。另一方面，古建筑修缮、加固、维护应尽量保持古建筑的原有风貌，以确保历史信息的原真性，目前采取的防震方法难以实现最小干预文物本体的原则，均对文物本体进行了一定的干预，如发明专利CN104153596B公开的砖石古塔整体抗震加固方法，专利CN201598846U公开的古建筑外墙预应力钢带加固装置。

因此，针对上述问题，亟需采用一种新的装置来提升砖石质古建筑稳定性能，并采取合理的方法确定其全过程水平承载力。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法，其既不破坏原有古建筑砖柱结构，同时又能够提升原有结构的水平承载能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种提升古建筑砖柱稳定性的装置，其中，古建筑包括砖柱和砖柱顶部的木梁，该提升古建筑砖柱稳定性的装置包括：U形卡、拉索、锚固件和销轴；其中，砖柱的两侧均设置有一根或多根拉索，拉索的一端通过销轴与位于木梁内侧下方的锚固件铰接，拉索的另一端绕过砖柱顶部并放置于木梁上的U形卡中，对拉索施加预拉力后，拉索的另一端与位于木梁外侧下方的锚固件固定铰接，锚固件固定于与古建筑不相关的结构上；并且其中，U形卡设置在木梁的顶部，并依靠拉索施加预拉力对U形卡产生压力以与木梁贴紧。

在一优选实施方式中，U形卡的内表面进行粗糙处理，使U形卡与木梁接触面的摩擦系数不小于0.3，U形卡布置于砖柱顶与木梁相交处的两侧，U形卡开口向下，U形卡的形状依据木梁的截面形状设置为U形或与木梁贴紧的形状。

在一优选实施方式中，U形卡的两个角部上在拉索弯折处设置有夹具，夹具上表面的中间位置沿拉索布置方向设置有弧形凹槽，夹具的弧形凹槽的曲率半径为30-200mm，拉索放置于夹具的弧形凹槽内，并且当对拉索施加预拉力后，通过盖板盖住夹具的弧形凹槽内的部分拉索，盖板通过螺栓与夹具及U形卡固定连接。

在一优选实施方式中，盖板内也设置有弧形凹槽，盖板的弧形凹槽的曲率半径与夹具的弧形凹槽的曲率半径相同，并且当盖板与夹具固定连接后，盖板的弧形凹槽和夹具的弧形凹槽组成了放置拉索的孔道，孔道的直径比拉索的直径大1-2mm。

在一优选实施方式中，拉索的两端均设置有拉索连接耳板，拉索通过销轴、拉索连接耳板与固定于混凝土基础上的锚固件铰接连接。

在一优选实施方式中，锚固件包括钢板、锚固件连接耳板和锚筋，钢板顶面设置有锚固件连接耳板，底面设置有锚筋，锚固件通过锚筋固定于混凝土基础上。

本发明的还提供了一种提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法，包括如下步骤：

S1.采用无损或微损检测手段，得到古建筑材料的相关力学参数，并采用现场测量技术和/或三维扫描技术得到古建筑结构的几何尺寸信息；

S2.利用步骤S1获得的古建筑相关力学参数及几何尺寸信息，建立古建筑仿真分析模型；

S3.对古建筑仿真分析模型进行水平承载全过程计算；

S4.根据步骤S3计算得到的砖柱顶部水平荷载F与水平变形S的关系曲线，得到砖柱F-S曲线上的三个性能点，其中三个性能点包括砖柱的最大线性水平承载力性能点、砖柱的水平承载力屈服点和砖柱的破坏点；

S5.根据步骤S4的方法得到的砖柱F-S曲线的三个性能点，确定U形卡与木梁间相对位移在性能点处应满足下列要求：①最大线性水平承载力性能点处，U形卡与木梁间不能发生相对位移；②水平承载力屈服点处，U形卡与木梁间发生相对位移u≤5mm；③破坏点处，U形卡与木梁间发生相对位移u≤10mm；若不满足上述任意一个条件，应增加U形卡与木梁的接触面积和/或加大U形卡与木梁间的摩擦系数，并直接返回至步骤S4，直至满足上述要求；确定拉索承受的拉应力在三个性能点处应满足下列要求：①最大线性水平承载力性能点处，拉索承受的拉应力σ应满足0＜σ≤0.4σ_u，σ_u为拉索抗拉强度极限值；②水平承载力屈服点处，拉索承受的拉应力σ应满足0＜σ≤0.6σ_u；③破坏点处，拉索承受的拉应力σ应满足0＜σ≤0.8σ_u；若不满足上述任意一个条件，则应加大拉索直径，并直接返回至步骤S4，直至满足上述要求；其中，σ_u为拉索抗拉强度极限值；

S6.计算得到砖柱的最大线性水平承载力F₁、屈服水平承载力F_y、屈服水平变形值S_y、极限水平承载力F_u及极限水平变形值S_u；

S7.根据步骤S6得到的F₁、F_y、S_y、F_u、S_u，并计入承载力安全系数β₁和变形延性安全系数β₂，按照如下方法得到砖柱的稳定水平承载力F_k和水平变形能力θ_k，从而得到砖柱的全过程水平承载力的三个指标F₁，F_k，θ_k：

F_k＝min(F_y，F_u/β₁)

θ_k＝min[S_y/H，S_u/(H*β₂)]

其中，承载力安全系数β₁的取值范围为1.3-1.6，变形延性安全系数β₂的取值范围为1.3～1.8，H为砖柱高度。

在一优选实施方式中，根据步骤S3计算得到的砖柱顶部水平荷载F与水平变形S的关系曲线，得到砖柱F-S曲线上的三个性能点包括如下步骤：记X点为F-S曲线上任意一点，X点的横坐标水平变形值为s，将原点O和X的连线、过X点与S轴的垂线及S轴围合成的三角形面积定义为f₁(s)，将原点O和X点间的曲线、过X点与S轴的垂线及S轴围合成的面积定义为f₂(s)，设γ＝f₁(s)/f₂(s)；记F-S曲线上纵坐标水平荷载峰值点F_max对应的横坐标水平变形值为S1，设点{A₁，A₂，……，A_i，……，A_n}，为F-S曲线上的点，n＞i，其横坐标为{1/n，2/n，……，i/n，……，n/n}×S1，计算点{A1，A2，……，Ai，……，An}的γ值分别为{γ₁，γ₂，……，γ_i，……，γ_n}；若{γ_i，……，γ_n}均＜Δ，且γ_i-1≥Δ，则运算终止，将A_i-1点作为砖柱的最大线性水平承载力性能点，其中，Δ取值范围为0.96≤Δ≤0.98，n≥50；将原点O和A_i-1点连线的延长线与水平承载力极值点M的水平线交于B点，过B点做垂线与曲线交于Y点，将Y点作为砖柱的水平承载力屈服点；水平承载力极值点M作为砖柱的破坏点，从而得到砖柱F-S曲线上的三个性能点。

在一优选实施方式中，采用无损或微损检测手段，得到古建筑材料的相关力学参数包括如下步骤：采用回弹仪检测获取砌块的弹性模量、抗压强度，采用砂浆贯入仪检测获取砌筑砂浆或灰浆的弹性模量、抗压强度，采用同类砌块和砂浆或灰浆材料砌筑并进行力学实验，获取砌块与砌筑砂浆或灰浆间摩擦系数、粘结强度及材料容重相关力学性能参数，通过力学试验获取提升古建筑砖柱安全稳定性能装置的材料及拉索的材料强度、弹性模量相关力学性能参数，U形卡与木梁接触摩擦系数；并以对砖柱产生的附加压力值σ_z≤0.15MPa，拉索承受的拉应力σ≤0.2σ_u为条件，确定拉索直径及每根拉索预拉力值N。

在一优选实施方式中，利用步骤S1获得的古建筑相关力学参数及几何尺寸信息，建立古建筑仿真分析模型包括如下步骤：通过ANSYS或ABAQUS有限元分析软件建立古建筑砖柱、砖柱顶部木梁、上部屋架及提升古建筑砖柱安全稳定性能装置的三维实体离散分析模型；分析模型中砌块与砌块之间设置连接单元，连接单元包括砌块间的粘结强度和摩擦力参数；对古建筑仿真分析模型进行水平承载全过程计算包括如下步骤：对古建筑仿真分析模型中砖柱顶部施加水平荷载，并不断增加水平荷载值，直至结构不能再承受更大荷载为止，得到砖柱顶部施加的水平荷载F与砖柱顶部水平变形S的关系曲线，分析采用Newton-Raphson非线性迭代方法求解，计入结构体系的几何非线性影响，砖砌体采用素混凝土Drucker-Prager弹塑性模型；在加载全过程中，砌块承受的压应力f_q应满足f_q≤f_k1，f_k1为砌体的抗压强度，若不满足要求，则应减小拉索初始预应力值，直至满足要求。建筑砖柱稳定性的装置及其承载力确定方法的有益效果如下：(1)本发明的提升古建筑砖柱安全稳定性能的装置，与现有装置相比，既不破坏原有古建筑砖柱结构，同时又能够提升原有结构的水平承载能力，实现了对文物建筑修缮保护最小干预且可逆的原则，同时又提高了文物的安全性能。(2)本发明为提升古建筑砖柱安全稳定性能装置提出了全过程水平承载力的确定方法，与现有方法相比，本发明的方法量化了古建筑砖柱结构采取提升稳定性装置在各阶段状态的水平承载力。

附图说明

图1为本发明的一优选实施方式的单层古建筑砖柱防震装置三维示意图。

图2为本发明的一优选实施方式的拉索三维示意图。

图3为本发明的一优选实施方式的U形卡三维示意图。

图4为本发明的一优选实施方式的U形卡、盖板、螺栓连接示意图。

图5为本发明的一优选实施方式的锚板三维示意图。

图6为本发明的一优选实施方式的拉索和锚板连接示意图。

图7为本发明实施例中采取提升安全稳定装置的一榀古建筑剖面图。

图8为本发明实施例中得到的水平荷载F与水平变形S关系曲线。

附图标记：1－木梁、2－砖柱、3－U形卡、4－拉索、5－盖板、6－螺栓、7－锚固件、8－销轴、9－上部木屋盖结构、10－砖柱顶施加的水平荷载、31－夹具、32－夹具的弧形凹槽、41－拉索连接耳板、71－锚固件连接耳板、72－锚筋、73－钢板。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，本发明优选实施方式的古建筑包括砖柱2及其顶部的木梁1。本实施例中的提升古建筑砖柱稳定性装置包括U形卡3、拉索4、锚固件7和销轴8。砖柱2的两侧均设置一根拉索4，拉索4的一端采用销轴8与锚固件7铰接，锚固件7固定于位于木梁内侧下方的混凝土基础上。拉索4的另一端绕过砖柱2顶放置于木梁1上的U形卡3中，对拉索4施加预拉力后，拉索4的另一端通过销轴8与锚固件7铰接，锚固件7固定于位于木梁外侧下方的混凝土基础上。U形卡3放置于木梁1上，依靠拉索4施加预拉力对U形卡3产生压力与木梁1贴紧。

如图1所示，U形卡3内表面进行喷砂粗糙处理，U形卡3与木梁1接触面摩擦系数为0.3，U形卡3布置于砖柱2与木梁1相交处两侧，U形卡3开口向下，U形卡3的形状可依据木梁的截面形状设置为U形或与木梁1贴紧的形状。

在一优选实施方式中，如图3、图4所示，U形卡3的两个角部上在拉索4弯折处设置有夹具31，夹具31上表面的中间位置沿拉索4布置方向设置有弧形凹槽32，夹具的弧形凹槽32的曲率半径为30-200mm，拉索放置于夹具的弧形凹槽32内，并且当对拉索4施加预拉力后，通过盖板5盖住夹具的弧形凹槽32内的部分拉索4，盖板通5过螺栓6与夹具31及U形卡3固定连接。

在一优选实施方式中，盖板5位于夹具31之上，大小与夹具相同，盖板5内也设置有弧形凹槽，盖板的弧形凹槽的曲率半径与夹具的弧形凹槽32的曲率半径相同，并且当盖板5与夹具31固定连接后，盖板的弧形凹槽和夹具的弧形凹槽32组成了放置拉索4的孔道，孔道的直径比拉索的直径大1-2mm。

在一优选实施方式中，如图1-图3所示，拉索4为整根不间断拉索，拉索4的直径为16mm，拉索4的一端设置有拉索连接耳板41，拉索连接耳板41通过销轴8与锚固件7上的锚固件连接耳板71铰接，拉索4向上延伸绕过木梁1上的U形卡3，另一端通过拉索连接耳板41与锚固件7上的锚固件连接耳板71铰接，拉索4在弯折处放置于夹具的弧形凹槽32内。孔道的直径为17mm，对拉索4施加预应力后，通过螺栓6将夹具31和盖板5牢固连接。

在一优选实施方式中，如图5、图6所示，锚固件7包括钢板73、锚固件连接耳板71和锚筋72，钢板73顶面设置有锚固件连接耳板71，底面设置有锚筋72，锚固件7通过锚筋72固定于混凝土基础上。拉索4两端通过拉索连接耳板41与对应位置锚固件上的连接耳板71通过销轴8实现铰接。

本实施例中的U形卡3、盖板5、螺栓6、锚固件连接耳板71、钢板73、销轴8材质为Q345B级钢材，锚筋72材质为HRB400级钢筋，拉索4材质为锌-5％铝-稀土合金镀层高强钢索。

本发明还提供了上述提升古建筑砖柱安全稳定性能装置的全过程水平承载力确定方法，包括如下步骤：

S1.采用无损或微损检测手段，得到古建筑材料的相关力学参数，并采用现场测量技术和/或三维扫描技术得到古建筑结构的几何尺寸信息；

S2.利用步骤S1获得的古建筑相关力学参数及几何尺寸信息，建立古建筑仿真分析模型；

S3.对古建筑仿真分析模型进行水平承载全过程计算；

S4.根据步骤S3计算得到的砖柱顶部水平荷载F与水平变形S的关系曲线，得到砖柱F-S曲线上的三个性能点，其中三个性能点包括砖柱的最大线性水平承载力性能点、砖柱的水平承载力屈服点和砖柱的破坏点；

S5.根据步骤S4的方法得到的砖柱F-S曲线的三个性能点，确定U形卡与木梁间相对位移在性能点处应满足下列要求：①最大线性水平承载力性能点处，U形卡与木梁间不能发生相对位移；②水平承载力屈服点处，U形卡与木梁间发生相对位移u≤5mm；③破坏点处，U形卡与木梁间发生相对位移u≤10mm；若不满足上述任意一个条件，应增加U形卡与木梁的接触面积和/或加大U形卡与木梁间的摩擦系数，并直接返回至步骤S4，直至满足上述要求；确定拉索承受的拉应力在三个性能点处应满足下列要求：①最大线性水平承载力性能点处，拉索承受的拉应力σ应满足0＜σ≤0.4σ_u，σ_u为拉索抗拉强度极限值；②水平承载力屈服点处，拉索承受的拉应力σ应满足0＜σ≤0.6σ_u；③破坏点处，拉索承受的拉应力σ应满足0＜σ≤0.8σ_u；若不满足上述任意一个条件，则应加大拉索直径，并直接返回至步骤S4，直至满足上述要求；其中，σ_u为拉索抗拉强度极限值；

S6.计算得到砖柱的最大线性水平承载力F₁、屈服水平承载力F_y、屈服水平变形值S_y、极限水平承载力F_u及极限水平变形值S_u；

S7.根据步骤S6得到的F₁、F_y、S_y、F_u、S_u，并计入承载力安全系数β₁和变形延性安全系数β₂，按照如下方法得到砖柱的稳定水平承载力F_k和水平变形能力θ_k，从而得到砖柱的全过程水平承载力的三个指标F₁，F_k，θ_k：

F_k＝min(F_y，F_u/β₁)

θ_k＝min[S_y/H，S_u/(H*β₂)]

其中，承载力安全系数β₁的取值范围为1.3-1.6，变形延性安全系数β₂的取值范围为1.3～1.8，H为砖柱高度。

在一优选实施方式中，根据步骤S3计算得到的砖柱顶部水平荷载F与水平变形S的关系曲线，得到砖柱F-S曲线上的三个性能点包括如下步骤：记X点为F-S曲线上任意一点，X点的横坐标水平变形值为s，将原点O和X的连线、过X点与S轴的垂线及S轴围合成的三角形面积定义为f₁(s)，将原点O和X点间的曲线、过X点与S轴的垂线及S轴围合成的面积定义为f₂(s)，设γ＝f₁(s)/f₂(s)；记F-S曲线上纵坐标水平荷载峰值点F_max对应的横坐标水平变形值为S1，设点{A₁，A₂，……，A_i，……，A_n}，为F-S曲线上的点，n＞i，其横坐标为{1/n，2/n，……，i/n，……，n/n}×S1，计算点{A1，A2，……，Ai，……，An}的γ值分别为{γ₁，γ₂，……，γ_i，……，γ_n}。若{γ_i，……，γ_n}均＜Δ，且γ_i-1≥Δ，则运算终止，将A_i-1点作为砖柱的最大线性水平承载力性能点，其中，Δ取值范围为0.96≤Δ≤0.98，n≥50；将原点O和A_i-1点连线的延长线与水平承载力极值点M的水平线交于B点，过B点做垂线与曲线交于Y点，将Y点作为砖柱的水平承载力屈服点；水平承载力极值点M作为砖柱的破坏点，从而得到砖柱F-S曲线上的三个性能点。

在一优选实施方式中，采用无损或微损检测手段，得到古建筑材料的相关力学参数包括如下步骤：采用回弹仪检测获取砌块的弹性模量、抗压强度，采用砂浆贯入仪检测获取砌筑砂浆或灰浆的弹性模量、抗压强度，采用同类砌块和砂浆或灰浆材料砌筑并进行力学实验，获取砌块与砌筑砂浆或灰浆间摩擦系数、粘结强度及材料容重相关力学性能参数，通过力学试验获取提升古建筑砖柱安全稳定性能装置的材料及拉索的材料强度、弹性模量相关力学性能参数，U形卡与木梁接触摩擦系数；并以对砖柱产生的附加压力值σ_z≤0.15MPa，拉索承受的拉应力σ≤0.2σ_u为条件，确定拉索直径及每根拉索预拉力值N。

在一优选实施方式中，利用步骤S1获得的古建筑相关力学参数及几何尺寸信息，建立古建筑仿真分析模型包括如下步骤：通过ANSYS或ABAQUS有限元分析软件建立古建筑砖柱、砖柱顶部木梁、上部屋架及提升古建筑砖柱安全稳定性能装置的三维实体离散分析模型；分析模型中砌块与砌块之间设置连接单元，连接单元包括砌块间的粘结强度和摩擦力参数；对古建筑仿真分析模型进行水平承载全过程计算包括如下步骤：对古建筑仿真分析模型中砖柱顶部施加水平荷载，并不断增加水平荷载值，直至结构不能再承受更大荷载为止，得到砖柱顶部施加的水平荷载F与砖柱顶部水平变形S的关系曲线，分析采用Newton-Raphson非线性迭代方法求解，计入结构体系的几何非线性影响，砖砌体采用素混凝土Drucker-Prager弹塑性模型；在加载全过程中，砌块承受的压应力f_q应满足f_q≤f_k1，f_k1为砌体的抗压强度，若不满足要求，则应减小拉索初始预应力值，直至满足要求。

下面介绍本发明的提升古建筑砖柱安全稳定性能装置的全过程水平承载力的确定方法的一个具体实施方式：

本发明的提升古建筑砖柱安全稳定性能装置的全过程水平承载力的确定方法的实施例，包括如下步骤：

步骤S1.选取一榀古建筑砖柱及上部木屋架结构，如图7所示。采用回弹仪检测获取砌块的弹性模量E₁＝20000MPa、抗压强度fk₁＝5MPa，γ₁＝18KN/m³，采用砂浆贯入仪检测获取砌筑砂浆的弹性模量E₂＝6000MPa、抗压强度fk₂＝1.2MPa，γ₂＝16KN/m³，采用同类砌块和砂浆或灰浆材料砌筑并进行力学实验，砌块与砌筑砂浆间摩擦系数μ₁＝0.7以及粘结强度c＝0.5MPa。通过力学试验获取升古建筑砖柱安全稳定性能装置的材料钢板采用Q345B级钢材相关参数。拉索采用锌-5％铝-稀土合金镀层高强钢索材料，极限抗拉强度σ_u＝1670MPa、弹性模量E₃＝160000MPa。锚筋采用HRB400级钢筋相关力学参数，屈服强度标准值f_yk＝400MPa，极限强度标准值f_stk＝540MPa，弹性模量E₄＝200000MPa。U形卡与木梁间摩擦系数μ₂＝0.35。选定拉索直径d＝20mm，每根拉索预拉力值N＝40KN，对砖柱产生的附加压力值σ_z＝0.114MPa，满足σ_z≤0.15MPa，拉索承受的拉应力σ＝127.4MPa，满足σ≤0.2σ_u(σ_u为拉索抗拉强度极限值＝1670MPa)。采用钢卷尺和三维扫描仪获取古建筑结构的几何尺寸如下：砖柱高度H＝4.08m，砖柱截面为“凸”截面尺寸，木梁1截面尺寸为宽370mm，高300mm。

步骤S2.利用步骤S1获得的古建筑几何尺寸及相关参数，采用ABAQUS有限元软件，建立古建筑仿真分析模型。通过计算机分析软件建立古建筑砖柱、上部屋架及装置结构的三维实体离散分析模型。分析模型中砌块与砌块之间设置粘结、接触单元，并输入砌块与砂浆或灰浆间的粘结强度c＝0.5MPa和摩擦系数μ₁＝0.5。

步骤S3.对仿真分析模型进行水平承载全过程计算。对仿真分析模型中砖柱顶部施加水平荷载，并不断增加水平荷载值，直至结构不能再承受更大荷载，得到砖柱顶部施加的水平荷载F与砖柱顶部水平变形S的关系曲线。分析采用Newton-Raphson非线性迭代方法求解，计入结构体系的几何非线性影响，砖砌体采用素混凝土Drucker-Prager弹塑性模型。在加载全过程中，砌块承受的压应力f_q＝2.8MPa，满足f_q≤f_k1＝5MPa，f_k1为砌体的抗压强度。

步骤S4.根据步骤三计算得到的水平荷载F与水平变形S的关系曲线，如图8所示。F-S曲线上纵坐标水平荷载峰值点F_max对应的横坐标水平变形值S₁＝16.32mm。取n＝100，设点{A₁，A₂，……，A_i，……，A₁₀₀}，为F-S曲线上的点，其横坐标为{1/100，2/100，……，i/100，……，100/100}×16.32。取Δ＝0.97，经计算，{γ₂₆＝0.968，……，γ₁₀₀＝0.713}均＜Δ＝0.97，且γ₂₅＝0.976，将A₂₅点作为砖柱的最大线性承载力性能点；将原点O和A₂₅点连线的延长线与水平承载力极值点M的水平线交于B点，在过B点做垂线与曲线交于Y点，将Y点作为砖柱的水平承载力屈服点；水平承载力极值点M作为砖柱的破坏点。

步骤S5.根据步骤四的方法得到砖柱的三个性能点，在性能点处：①最大线性水平承载力性能点A处，U形卡3与木梁1间未发生相对位移，满足要求；②水平承载力屈服点处，U形卡3与木梁1间发生相对位移u＝3.2mm，满足u≤5mm要求；③破坏点处，U形卡与木梁间发生相对位移u＝6.9mm，满足u≤10mm要求。

拉索在三个性能点处应满足下列要求：①最大线性水平承载力性能点处，拉索4承受的拉应力σ＝468MPa，满足0＜σ≤0.4σ_u，σ_u为拉索抗拉强度极限值；②水平承载力屈服点处，拉索(4)承受的拉应力σ＝758MPa，满足0＜σ≤0.6σ_u；③破坏点处，拉索承受的拉应力σ＝1050MPa，满足0＜σ≤0.8σ_u。

步骤S6.根据满足步骤五要求的水平荷载F与水平变形S的关系曲线，求得砖柱的最大线性水平承载力F₁＝6.41KN、屈服水平承载力F_y＝9.28KN、屈服水平变形值S_y＝8.42mm、极限水平承载力F_u＝12.47KN及极限水平变形值S_u＝16.32mm。

步骤S7.根据步骤八得出的F₁、F_y、S_y、F_u、S_u，并计入承载力安全系数β₁取1.3，变形延性安全系数β₂取1.5，按照如下方法得到砖柱的稳定水平承载力F_k和水平变形能力θ_k。

F_k＝min(F_y，F_u/β₁)＝min(9.28，12.47/1.3)＝9.28KN；

θ_k＝min[S_y/H，S_u/(H*β₂)]＝min[8.42/4080＝1/484，16.32/(4080﹡1.5)＝1/375]＝1/484；

因此，得出该砖柱的全过程水平承载力的三个指标F₁＝6.41KN，F_k＝9.28KN，θ_k＝1/484。

根据大量统计分析，承载力安全系数β₁取值范围为1.3～1.6，变形延性安全系数β₂取值范围一般为1.3～1.8，H为砖柱高度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1.采用无损或微损检测手段，得到古建筑材料的相关力学参数，并采用现场测量技术和/或三维扫描技术得到古建筑结构的几何尺寸信息；

S2.利用步骤S1获得的古建筑相关力学参数及几何尺寸信息，建立古建筑仿真分析模型；

S3.对所述古建筑仿真分析模型进行水平承载全过程计算；

S4.根据步骤S3计算得到的砖柱顶部水平荷载F与水平变形S的关系曲线，得到砖柱F-S曲线上的三个性能点，其中三个性能点包括砖柱的最大线性水平承载力性能点、砖柱的水平承载力屈服点和砖柱的破坏点；

S5.根据步骤S4的方法得到的砖柱F-S曲线的三个性能点，确定U形卡与木梁间相对位移在性能点处应满足下列要求：①最大线性水平承载力性能点处，所述U形卡与木梁间不能发生相对位移；②水平承载力屈服点处，U形卡与所述木梁间发生相对位移u≤5mm；③破坏点处，所述U形卡与所述木梁间发生相对位移u≤10mm；若不满足上述任意一个条件，应增加所述U形卡与所述木梁的接触面积和/或加大所述U形卡与所述木梁间的摩擦系数，并直接返回至步骤S4，直至满足上述要求；确定拉索承受的拉应力在三个性能点处应满足下列要求：①最大线性水平承载力性能点处，拉索承受的拉应力σ应满足0＜σ≤0.4σ_u，σ_u为拉索抗拉强度极限值；②水平承载力屈服点处，拉索承受的拉应力σ应满足0＜σ≤0.6σ_u；③破坏点处，拉索承受的拉应力σ应满足0＜σ≤0.8σ_u；若不满足上述任意一个条件，则应加大拉索直径，并直接返回至步骤S4，直至满足上述要求；其中，σ_u为拉索抗拉强度极限值；

S6.计算得到砖柱的最大线性水平承载力F₁、屈服水平承载力F_y、屈服水平变形值S_y、极限水平承载力F_u及极限水平变形值S_u；

S7.根据步骤S6得到的F₁、F_y、S_y、F_u、S_u，并计入承载力安全系数β₁和变形延性安全系数β₂，按照如下方法得到砖柱的稳定水平承载力F_k和水平变形能力θ_k，从而得到砖柱的全过程水平承载力的三个指标F₁，F_k，θ_k：

F_k＝min(F_y，F_u/β₁)

θ_k＝min[S_y/H，S_u/(H*β₂)]

其中，承载力安全系数β₁的取值范围为1.3-1.6，变形延性安全系数β₂的取值范围为1.3～1.8，H为砖柱高度；

其中，古建筑包括砖柱和所述砖柱顶部的木梁，所述砖柱的两侧均设置有一根或多根拉索，所述拉索的一端通过销轴与位于所述木梁内侧下方的锚固件铰接，所述拉索的另一端绕过砖柱顶部并放置于所述木梁上的U形卡中，对所述拉索施加预拉力后，所述拉索的另一端与位于所述木梁外侧下方的锚固件固定铰接。

2.根据权利要求1所述的提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法，其特征在于：所述根据步骤S3计算得到的砖柱顶部水平荷载F与水平变形S的关系曲线，得到砖柱F-S曲线上的三个性能点包括如下步骤：记X点为F-S曲线上任意一点，X点的横坐标水平变形值为s，将原点O和X的连线、过X点与S轴的垂线及S轴围合成的三角形面积定义为f₁(s)，将原点O和X点间的曲线、过X点与S轴的垂线及S轴围合成的面积定义为f₂(s)，设γ＝f₁(s)/f₂(s)；记F-S曲线上纵坐标水平荷载峰值点F_max对应的横坐标水平变形值为S1，设点{A₁，A₂，……，A_i，……，A_n}，为F-S曲线上的点，n＞i，其横坐标为{1/n，2/n，……，i/n，……，n/n}×S1，计算点{A1，A2，……，Ai，……，An}的γ值分别为{γ₁，γ₂，……，γ_i，……，γ_n}；若{γ_i，……，γ_n}均＜Δ，且γ_i-1≥Δ，则运算终止，将A_i-1点作为砖柱的最大线性水平承载力性能点，其中，Δ取值范围为0.96≤Δ≤0.98，n≥50；将原点O和A_i-1点连线的延长线与水平承载力极值点M的水平线交于B点，过B点做垂线与曲线交于Y点，将Y点作为砖柱的水平承载力屈服点；水平承载力极值点M作为砖柱的破坏点，从而得到砖柱F-S曲线上的三个性能点。

3.根据权利要求2所述的提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法，其特征在于：所述采用无损或微损检测手段，得到古建筑材料的相关力学参数包括如下步骤：采用回弹仪检测获取砌块的弹性模量、抗压强度，采用砂浆贯入仪检测获取砌筑砂浆或灰浆的弹性模量、抗压强度，采用同类砌块和砂浆或灰浆材料砌筑并进行力学实验，获取砌块与砌筑砂浆或灰浆间摩擦系数、粘结强度及材料容重相关力学性能参数，通过力学试验获取提升古建筑砖柱安全稳定性能装置的材料及拉索的材料强度、弹性模量相关力学性能参数，U形卡与木梁接触摩擦系数；并以对砖柱产生的附加压力值σ_z≤0.15MPa，拉索承受的拉应力σ≤0.2σ_u为条件，确定拉索直径及每根拉索预拉力值N。

4.根据权利要求3所述的提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法，其特征在于：所述利用步骤S1获得的古建筑相关力学参数及几何尺寸信息，建立古建筑仿真分析模型包括如下步骤：通过ANSYS或ABAQUS有限元分析软件建立古建筑砖柱、砖柱顶部木梁、上部屋架及提升古建筑砖柱安全稳定性能装置的三维实体离散分析模型；分析模型中砌块与砌块之间设置连接单元，所述连接单元包括砌块间的粘结强度和摩擦力参数；对所述古建筑仿真分析模型进行水平承载全过程计算包括如下步骤：对所述古建筑仿真分析模型中砖柱顶部施加水平荷载，并不断增加水平荷载值，直至结构不能再承受更大荷载为止，得到砖柱顶部施加的水平荷载F与砖柱顶部水平变形S的关系曲线，分析采用Newton-Raphson非线性迭代方法求解，计入结构体系的几何非线性影响，砖砌体采用素混凝土Drucker-Prager弹塑性模型；在加载全过程中，砌块承受的压应力f_q应满足f_q≤f_k1，f_k1为砌体的抗压强度，若不满足要求，则应减小拉索初始预应力值，直至满足要求。

5.根据权利要求1所述的提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法，其特征在于：提升古建筑砖柱稳定性装置包括：所述U形卡、拉索、锚固件和销轴，其中，所述锚固件固定于与古建筑不相关的结构上，且所述U形卡设置在所述木梁的顶部，并依靠所述拉索施加预拉力对所述U形卡产生压力以与所述木梁贴紧。

6.根据权利要求5所述的提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法，其特征在于：所述U形卡的内表面进行粗糙处理，使所述U形卡与所述木梁接触面的摩擦系数不小于0.3，所述U形卡布置于砖柱顶与木梁相交处的两侧，所述U形卡开口向下，所述U形卡的形状依据木梁的截面形状设置为U形或与木梁贴紧的形状。

7.根据权利要求6所述的提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法，其特征在于：所述U形卡的两个角部上在所述拉索弯折处设置有夹具，所述夹具上表面的中间位置沿所述拉索布置方向设置有弧形凹槽，所述夹具的弧形凹槽的曲率半径为30-200mm，所述拉索放置于所述夹具的弧形凹槽内，并且当对所述拉索施加预拉力后，通过盖板盖住所述夹具的弧形凹槽内的部分拉索，所述盖板通过螺栓与所述夹具及所述U形卡固定连接。

8.根据权利要求7所述的提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法，其特征在于：所述盖板内也设置有弧形凹槽，所述盖板的弧形凹槽的曲率半径与所述夹具的弧形凹槽的曲率半径相同，并且当所述盖板与所述夹具固定连接后，所述盖板的弧形凹槽和所述夹具的弧形凹槽组成了放置所述拉索的孔道，所述孔道的直径比所述拉索的直径大1-2mm。

9.根据权利要求5所述的提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法，其特征在于：所述拉索的两端均设置有拉索连接耳板，所述拉索通过所述销轴、所述拉索连接耳板与固定于混凝土基础上的锚固件铰接连接。

10.根据权利要求5所述的提升古建筑砖柱稳定性装置的全过程水平承载力确定方法，其特征在于：所述锚固件包括钢板、锚固件连接耳板和锚筋，所述钢板顶面设置有所述锚固件连接耳板，底面设置有锚筋，所述锚固件通过锚筋固定于混凝土基础上。

Images