CN112049455B - 提高框架式砖石质历史建筑防震性能的结构及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高框架式砖石质历史建筑防震性能的结构及方法，该方法包括如下步骤：S1.对框架式砖石质历史建筑的砌体进行力学性能检测；获取框架式砖石质历史建筑的几何尺寸信息；勘察框架式砖石质历史建筑的所有砌体；记录破损情况；S2.对框架式砖质历史建筑进行法式勘察和动力特性检测；S3.依据构件的损坏对框架式砖石质历史建筑价值的影响判定构件的重要程度；S4.利用有限元软件建立分析模型，进行动力特性分析及设计地震作用下数值分析；S5.判定构件抗震贡献程度，并进行级别划分；S6.根据分析结果判断各构件在设计地震作用下破坏程度，并判定构件的等级；S7.对构件划分补强序列；S8.确定补强构件范围及补强方案；S9.对构件进行补强。

Description

提高框架式砖石质历史建筑防震性能的结构及方法
技术领域
本发明涉及砖石质历史建筑防震安全技术领域，具体涉及一种提高框架式砖石质历史建筑防震性能的结构及方法。
背景技术
不同地域在每个时代的建筑均代表着当地当代的人类精神文明和物质文明发展的高度及水平，是其文化载体的重要组成部分。中国拥有超过 5000 年的灿烂文明，砖石质历史建筑作为中华文明的重要载体之一，通过不断的发展演变，逐步形成了自己独特的风格及鲜明的特点。中国现存的砖石质历史建筑经历了漫长岁月洗礼，依旧保存至今，但随着时间的发展，大量砖石质历史建筑损伤正在逐渐加剧。由于地震发生具有不可抗力，难以预测，砖石质历史建筑一旦遇到地震，容易严重破坏，造成不可估量的损失，因而亟需提出一种提高框架式砖石质历史建筑防震性能结构及其方法。
由于受《威尼斯宪章》限制，文物建筑在修缮过程中存在盲目遵守“不可改变文物原状”现象，实际修缮过程中多为外观修补；对承载力严重不足或震损情况，也多为对残损构件的加固和补强。如发明专利CN103993751A公开了 一种加强古建筑整体性的墙体加固结构及方法，但是该墙体加固结构及方法存在严重缺陷，比如，局部加固和补强使局部构件刚度大大提高，破坏了原设计的力流传递方式，使这些构件在地震作用下分担的地震力大大增加，降低了砖石质历史建筑的防震性能，以致于2008年汶川地震中，包括安县文星塔、绵竹文峰塔、领报修院以及二王庙配殿等在内的大量加固后的砖石质古建筑发生严重破坏甚至整体倒塌，因此亟需从砖石质历史建筑的结构受力体系出发，提出一种基于古建筑受力特征的新的防震性能提高方法。
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高框架式砖石质历史建筑防震性能的结构及方法，通过还原或优化框架式砖石质历史建筑结构受力模式，实现不破坏建筑本体且措施可逆的提高框架式历史建筑的防震性能。
为实现上述目的，本发明提供了一种提高框架式砖石质历史建筑防震性能的方法，包括如下步骤：
S1. 采用现场测试法和/或取样测试法和/或类比试验法对框架式砖石质历史建筑的砖和/或石材料和缝隙粘结材料进行力学性能检测，获得材料力学性能；对框架式砖石质历史建筑进行现场测绘和残损情况勘察，获取框架式砖石质历史建筑的几何尺寸信息和构件缺陷及损伤信息；并将上述信息按照等面积原则转换成构件的等效尺寸，按照等惯性矩原则转换成构件的等效刚度；
S2.对框架式砖质历史建筑进行法式勘察和动力特性检测，获得建筑形式、构件形式、连接形式和动力特性；
S3. 依据构件的损坏对框架式砖石质历史建筑价值的影响判定构件的重要程度；
S4. 利用有限元软件建立分析模型，进行动力特征分析，将分析结果与在步骤S2中得到的实际动力特性进行对比修正，当误差满足要求后基于离散体动力学计算方法对模型进行设计地震作用下数值分析；
S5.判定构件抗震贡献程度，并进行级别划分；
S6.根据分析结果判断各构件在设计地震作用下破坏程度，并判定构件的等级；
S7.对构件划分补强序列；
S8.确定补强方案及补强构件范围；
S9.按照步骤S8所确定的补强方案对构件进行补强。
在一优选实施方式中，步骤S1中采用现场测试法和/或取样测试法和/或类比试验法对框架式砖石质历史建筑的砖和/或石材料进行力学性能检测，获得材料力学性能；对框架式砖石质历史建筑进行现场测绘和残损情况勘察，获取框架式砖石质历史建筑的几何尺寸信息和构件缺陷及损伤信息；并将上述信息按照等面积原则转换成构件的等效尺寸，按照等惯性矩原则转换成构件的等效刚度；包括如下步骤：采用现场测试法和/或取样测试法和/或类比试验法对框架式砖石质历史建筑的砖石质材料的力学性能进行检测，得到砖石质材料的力-位移曲线，并得到砖石质材料的弹性模量、抗压强度和抗拉强度；采用现场测试法和/或取样测试法和/或类比试验法对框架式砖质历史建筑的缝隙粘结材料的力学性能进行检测，并得到缝隙粘结材料的弹性模量、抗压强度和粘结系数；对框架式砖石质历史建筑进行现场测绘和残损情况勘察，采用现场测量技术和/或三维扫描技术获取框架式砖石质历史建筑的几何尺寸信息；采用压电阻抗的损伤检测技术和/或波动信号分析的损伤检测技术获取框架式砖石质历史建筑构件内部、外部缺陷及损伤信息。
在一优选实施方式中，现场测量技术为运用长度和角度测量设备对框架式砖石质历史建筑的几何尺寸及构件表面残损进行测量；三维扫描技术为运用激光、机电对物体空间外形和结构进行扫描，获取物体表面的空间坐标，得到框架式砖石质历史建筑的几何尺寸及构件表面残损数据；压电阻抗的损伤检测技术为将压电原件粘贴于结构表面作为传感器和驱动器，利用结构特性引起的机械阻抗变化进而判断框架式砖石质历史建筑构件内部缺陷及损伤信息；波动信号分析的损伤检测技术为分析压电传感器所接收到的波动信号来检测和识别框架式砖石质历史建筑构件的内部缺陷及损伤信息。
在一优选实施方式中，对框架式砖质历史建筑进行法式勘察和动力性能检测，获得建筑形式、构件形式、连接形式和动力特性包括如下步骤：对框架式砖石质历史建筑进行法式勘察，记录框架式砖石质历史建筑的建筑形式、构件形式和连接形式，并进行现场动力特性检测，获得框架式砖石质历史建筑在白噪声激励下的动力特性。
在一优选实施方式中，运用ANSYS或ABAQUS软件建立分析模型，将建立的框架式砖石质历史建筑整体结构离散为离散的砖石质单元，进而确定离散单元的空间位置和砖石质单元形状，依据步骤S1中得到的砖石质材料的力学性能定义砖石质单元的材料属性，依据步骤S1中得到的缝隙粘结材料的力学性能设置连接单元将相连的砖石质单元进行连接，并根据如下步骤进行求解：步骤S41.基于离散体动力学计算方法对框架式砖石质历史建筑的分析模型进行动力特性分析，以步骤S2中得到的框架式砖石质历史建筑动力特性进为目标修改框架式砖石质历史建筑的砖石质的砖和/或石材料的弹性模量和砖缝粘结材料的粘结系数，进而使分析模型的动力特性分析结果与步骤S2现场实测结果接近，误差不超过±5%；步骤S42.基于离散体动力学计算方法对框架式砖石质历史建筑进行设计地震作用下数值分析，以单元间相对位移为基本变量，根据缝隙粘结材料的力学性能可计算得到相邻砖石质单元间法向和切向作用力，依据砖石质单元的材料属性进一步得到砖石质单元的应力、应变等力学参数；步骤S43. 根据砖石质单元在各个方向上与其相邻的砖石质单元间的作用力求合力和合力矩，根据牛顿第二定律求得砖石质单元的加速度、竖向构件剪力；步骤S44. 对砖石质单元加速度进行时间积分，得到砖石质单元的速度和位移，进而得到所有砖石质单元在任意时刻的速度、位移物理量。
在一优选实施方式中，依据构件的损坏对框架式砖石质历史建筑价值的影响判定构件的重要程度包括如下步骤：据构件的损坏对框架式砖石质历史建筑价值的影响判定构件的重要程度，将不允许损伤的构件记录为A级，将允许微损伤但是能够修复的构件记录为B级，其中，每个构件的损伤对整个框架式砖石质历史建筑的特点观赏性、遗存价值的影响性不同，若单个构件破坏导致整个框架式砖石质历史建筑失去保留价值，则将该构件定义为不允许损伤；判定构件抗震贡献程度，并进行级别划分包括如下步骤：统计每个竖向构件承担的剪力V i 与总剪力V f 的比值β i ，依据每个竖向构件的β i 作为对结构抗震性能贡献的评价标准，将β i 较大的前30%的构件贡献程度划为突出，将β i 较小的后30%的构件贡献程度划为较小，其余构件的贡献程度划为一般，并将贡献程度中的突出、一般、较小分别定义为1、2、3三个等级；根据分析结果判断各构件在设计地震作用下破坏程度，并判定构件的等级包括：根据分析结果判断结构构件在设计地震作用下的破坏程度，依据破坏、轻微破坏、无破坏将构件划分为d、e、f三个等级。
在一优选实施方式中，对构件划分补强序列按照先补强不允许破坏而计算结果为发生破坏的构件、其次补强不允许破坏而计算结果为发生轻微破坏的构件、最后补强允许微损伤而计算结果为发生破坏的构件的原则进行；相同破坏程度的构件中的分批补强顺序按照先补强抗震贡献突出的构件、其次补强抗震贡献一般的构件，且在框架式砖石质历史建筑平面内均匀对称的原则进行；
依据构件等级A1d、A2d、A2e、B1d、B2d、B3d的顺序对构件需要补强的迫切程度划分成第一至第六补强序列，并按照此序列进行分批按需补强。
在一优选实施方式中，确定补强方案及补强构件范围包括如下步骤：针对第一补强序列构件确定补强方案，在分析模型中依据补强方案对第一补强序列的构件首先进行补强；之后基于离散体动力学计算方法对补强后的框架式砖石质历史建筑进行设计地震作用下数值分析，判断新补强竖向构件承担的总地震剪力是否大于所有竖向构件总地震剪力的70%，如果满足要求，确定该补强方案，进入步骤S9，如果不满足要求，针对下一补强序列的构件进行补强，之后进行设计地震作用下数值分析，再次进行判断，如果满足要求，进入步骤S9，如果不满足要求，针对下一补强序列进行计算和判断，以此类推，直至完成所有补强序列的构件的补强；如果仍不满足要求，进入步骤S3，调整构件的重要程度和/或抗震贡献程度等级。
在一优选实施方式中，对构件进行补强是基于可逆措施进行补强的；可逆措施满足修旧如旧，过程可逆的原则，针对构件的补强方法采用局部替换法、粘贴碳纤维布复合材补强法、外加预应力撑杆补强法、增设扶壁柱补强法、扩大柱截面补强法、预应力补强法中的一种或几种。
本发明还提供了一种根据上述提高框架式砖石质历史建筑防震性能的方法得到的提高框架式砖石质历史建筑防震性能的结构，包括竖向构件、水平构件和楼板，竖向构件包括柱和墙；其中，竖向构件为基于可逆措施补强的构件，并且可逆措施满足修旧如旧，过程可逆的原则。
与现有技术相比，本发明的提高框架式砖石质历史建筑防震性能的结构及方法的有益效果如下：本发明的提高框架式砖石质历史建筑抗震性能的方法从框架式砖石质历史建筑的结构体系出发，基于框架式砖石质历史建筑中的“材料检测-分析计算-提高抗震性能”特征进行确定，真实的分析加固前后结构受力情况，不影响原设计的力流传递方式。本发明的提高砖石质历史建筑抗震性能的方法实现了不破坏本体且措施可逆的优点。
附图说明
图1为本发明的优选实施方式的框架式砖质历史建筑的结构简图。
图2为本发明的优选实施方式的涂刷B72丙烯酸树脂文物修复粘结剂的砖柱示意图。
图3为本发明的一实施方式的框架式砖石质历史建筑防震性能的方法流程图。
附图标记说明：
1—水平构件；2—楼板；3—砖柱；4—砖墙；5—B72丙烯酸树脂文物修复粘结剂。
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。
实施例1
本发明优选实施方式的提高框架式砖石质历史建筑防震性能的方法，包括如下步骤：
S1. 采用现场测试法和/或取样测试法和/或类比试验法对框架式砖石质历史建筑的砖和/或石材料和缝隙粘结材料进行力学性能检测，获得材料力学性能；对框架式砖石质历史建筑进行现场测绘和残损情况勘察，获取框架式砖石质历史建筑的几何尺寸信息和构件缺陷及损伤信息；并将上述信息按照等面积原则转换成构件的等效尺寸，按照等惯性矩原则转换成构件的等效刚度；
S2.对框架式砖质历史建筑进行法式勘察和动力性能检测，获得建筑形式、构件形式、连接形式和动力特性；
S3. 依据构件的损坏对框架式砖石质历史建筑价值的影响判定构件的重要程度；
S4. 利用有限元软件建立分析模型，进行动力特征分析，将分析结果与在步骤S2中得到的实际动力特性进行对比修正，当误差满足要求后基于离散体动力学计算方法对模型进行设计地震作用下数值分析；
S5.判定构件抗震贡献程度，并进行级别划分；
S6.根据分析结果判断各构件在设计地震作用下破坏程度，并判定构件的等级；
S7.对构件划分补强序列；
S8.确定补强方案及补强构件范围；
S9.按照步骤S8所确定的补强方案对构件进行补强。
在一优选实施方式中，步骤S1中采用现场测试法和/或取样测试法和/或类比试验法对框架式砖石质历史建筑的砖和/或石材料进行力学性能检测，获得材料力学性能；对框架式砖石质历史建筑进行现场测绘和残损情况勘察，获取框架式砖石质历史建筑的几何尺寸信息和构件缺陷及损伤信息；并将上述信息按照等面积原则转换成构件的等效尺寸，按照等惯性矩原则转换成构件的等效刚度；包括如下步骤：采用现场测试法和/或取样测试法和/或类比试验法对框架式砖石质历史建筑的砖石质材料的力学性能进行检测，得到砖石质材料的力-位移曲线，并得到砖石质材料的弹性模量、抗压强度和抗拉强度；采用现场测试法和/或取样测试法和/或类比试验法对框架式砖质历史建筑的缝隙粘结材料的力学性能进行检测，并得到缝隙粘结材料的弹性模量、抗压强度和粘结系数；对框架式砖石质历史建筑进行现场测绘和残损情况勘察，采用现场测量技术和/或三维扫描技术获取框架式砖石质历史建筑的几何尺寸信息；采用压电阻抗的损伤检测技术和/或波动信号分析的损伤检测技术获取框架式砖石质历史建筑构件内部、外部缺陷及损伤信息。
在一优选实施方式中，现场测量技术为运用长度和角度测量设备对框架式砖石质历史建筑的几何尺寸及构件表面残损进行测量；三维扫描技术为运用激光、机电对物体空间外形和结构进行扫描，获取物体表面的空间坐标，得到框架式砖石质历史建筑的几何尺寸及构件表面残损数据；压电阻抗的损伤检测技术为将压电原件粘贴于结构表面作为传感器和驱动器，利用结构特性引起的机械阻抗变化进而判断框架式砖石质历史建筑构件内部缺陷及损伤信息；波动信号分析的损伤检测技术为分析压电传感器所接收到的波动信号来检测和识别框架式砖石质历史建筑构件的内部缺陷及损伤信息。
在一优选实施方式中，对框架式砖质历史建筑进行法式勘察和动力性能检测，获得建筑形式、构件形式、连接形式和动力特性包括如下步骤：对框架式砖石质历史建筑进行法式勘察，记录框架式砖石质历史建筑的建筑形式、构件和连接形式，并进行现场动力性能检测，获得框架式砖石质历史建筑在白噪声激励下的动力特性。法式勘察指的是对文物建筑选址及营造理念；平面布局与建筑形制；建筑装饰和风格特征；结构与构件法式特征；构造形式及构成关系；构件名称、材质、尺寸、数量及所在部位；相邻构件之间的连接和受力方式；材料构成技术特点，包括材料成分、配比、颜色、物理性能及相关指标；工艺工程技术特点，包括木作、瓦石作、油作、彩画作、裱糊作的制作、安装工艺；所承载的物质与非物质的历史、文化信息内容进行勘察
在一优选实施方式中，运用ANSYS或ABAQUS软件建立分析模型，将建立的框架式砖石质历史建筑整体结构离散为离散的砖石质单元，进而确定离散单元的空间位置和砖石质单元形状，依据步骤S1中得到的砖石质材料的力学性能定义砖石质单元的材料属性，依据步骤S1中得到的缝隙粘结材料的力学性能设置连接单元将相连的砖石质单元进行连接，并根据如下步骤进行求解：步骤S41.基于离散体动力学计算方法对框架式砖石质历史建筑的分析模型进行动力特性分析，以步骤S2中得到的框架式砖石质历史建筑动力特性进为目标修改框架式砖石质历史建筑的砖石质的砖和/或石材料的弹性模量和砖缝粘结材料的粘结系数，进而使分析模型的动力特性分析结果与步骤S2现场实测结果接近，误差不超过±5%；步骤S42.基于离散体动力学计算方法对框架式砖石质历史建筑进行设计地震作用下数值分析，以单元间相对位移为基本变量，根据缝隙粘结材料的力学性能可计算得到相邻砖石质单元间法向和切向作用力，依据砖石质单元的材料属性进一步得到砖石质单元的应力、应变等力学参数；步骤S43. 根据砖石质单元在各个方向上与其相邻的砖石质单元间的作用力求合力和合力矩，根据牛顿第二定律求得砖石质单元的加速度、竖向构件剪力；步骤S44. 对砖石质单元加速度进行时间积分，得到砖石质单元的速度和位移，进而得到所有砖石质单元在任意时刻的速度、位移物理量。
在一优选实施方式中，依据构件的损坏对框架式砖石质历史建筑价值的影响判定构件的重要程度包括如下步骤：据构件的损坏对框架式砖石质历史建筑价值的影响判定构件的重要程度，将不允许损伤的构件记录为A级，将允许微损伤但是能够修复的构件记录为B级，其中，每个构件的损伤对整个框架式砖石质历史建筑的特点观赏性、遗存价值的影响性不同，若单个构件破坏导致整个框架式砖石质历史建筑失去保留价值，则将该构件定义为不允许损伤；判定构件抗震贡献程度，并进行级别划分包括如下步骤：统计每个竖向构件承担的剪力V i 与总剪力V f 的比值β i ，依据每个竖向构件的β i 作为对结构抗震性能贡献的评价标准，将β i 较大的前30%的构件贡献程度划为突出，将β i 较小的后30%的构件贡献程度划为较小，其余构件的贡献程度划为一般，并将贡献程度中的突出、一般、较小分别定义为1、2、3三个等级；根据分析结果判断各构件在设计地震作用下破坏程度，并判定构件的等级包括：根据分析结果判断结构构件在设计地震作用下的破坏程度，依据破坏、轻微破坏、无破坏将构件划分为d、e、f三个等级。
在一优选实施方式中，对构件划分补强序列按照“先补强不允许破坏而计算结果为发生破坏的构件、其次补强不允许破坏而计算结果为发生轻微破坏的构件、最后补强允许微损伤而计算结果为发生破坏的构件”的原则进行；相同破坏程度的构件中的分批补强顺序按照“先补强抗震贡献突出的构件、其次补强抗震贡献一般的构件，且在框架式砖石质历史建筑平面内均匀对称” 的原则进行。优选地，对构件划分补强序列包括如下步骤：依据构件等级A1d、A2d、A2e、B1d、B2d、B3d的顺序对构件需要补强的迫切程度划分成第一至第六补强序列，并按照此序列进行分批按需补强。
在一优选实施方式中，确定补强方案及补强构件范围包括如下步骤：针对第一补强序列构件确定补强方案，在分析模型中依据补强方案对第一补强序列的构件首先进行补强；之后基于离散体动力学计算方法对补强后的框架式砖石质历史建筑进行设计地震作用下数值分析，判断新补强竖向构件承担的总地震剪力是否大于所有竖向构件总地震剪力的70%，如果满足要求，确定该补强方案，进入步骤S9，如果不满足要求，针对下一补强序列的构件进行补强，之后进行设计地震作用下数值分析，再次进行判断，如果满足要求，进入步骤S9，如果不满足要求，针对下一补强序列进行计算和判断，以此类推，直至完成所有补强序列的构件的补强；如果仍不满足要求，进入步骤S3，调整构件的重要程度和/或抗震贡献程度等级。
在一优选实施方式中，对构件进行补强是基于可逆措施进行补强的；所述可逆措施满足修旧如旧，过程可逆的原则，可逆措施设计方法基于砖石质历史建筑中的“材料检测—基于现场动力特性实测修正的离散体模型分析计算—基于可逆措施手段的抗震性能提高”特征确定的。针对构件的补强方法采用局部替换法、粘贴碳纤维布复合材补强法、外加预应力撑杆补强法、增设扶壁柱补强法、扩大柱截面补强法、预应力补强法中的一种或几种；其中，界面剂为B72丙烯酸树脂文物修复粘结剂，补强的材料为仿生材料。
实施例2
如图1所示，本实施例的框架式砖质历史建筑，结构形式为砖混结构，框架式砖质历史建筑共有6层，层高为3.6m，横向2跨，每跨跨度为6m，纵向2跨，每跨跨度为6.5m。
本发明的根据上述提高框架式砖石质历史建筑防震性能的方法得到的提高框架式砖石质历史建筑防震性能的结构包括水平构件1、楼板2和竖向构件。竖向构件为基于可逆措施补强的构件，包括砖柱3和砖墙4，砖柱3和砖墙4均采用青砖砌筑。可逆措施应满足修旧如旧，过程可逆的原则，补强之前应先对文物表面涂界面剂，保证所有补强措施后期可以完全拆除。
如图2所示，优选的，界面剂为B72丙烯酸树脂文物修复粘结剂5。B72丙烯酸树脂文物修复粘结剂5为以丙酮作为溶剂，将粉末状的丙烯酸树脂按照5%的配比浓度进行配制，之后将B72丙烯酸树脂文物修复粘结剂5均匀涂抹于砖柱3外表面。补强的材料为仿生材料，并且控制材料的含水率，降低对框架式砖质历史建筑表面损害，防止仿生材料存在过多的自由水，保证存在适量结晶水。可逆措施设计方法是基于框架式砖质历史建筑中的“材料检测—基于现场动力特性实测修正的离散体模型分析计算—基于可逆措施手段的提高抗震性能”特征确定的。
如图3所示，本实施例的提高框架式砖石质历史建筑防震性能的方法包括如下步骤：
步骤S1. 采用现场取样法取回3组样品，其中每组样品均为2块砌体通过砖缝材料粘结而成，将样品带回实验室进行力学检测，得到砌块的力-位移曲线，获取材料的弹性模量、抗压强度、抗拉强度，并且得到缝隙粘结材料的弹性模量、抗压强度、粘结系数和力-位移曲线。获取框架式砖石质历史建筑的几何尺寸信息；使用三维扫描仪对框架式砖质历史建筑进行扫描，获取几何尺寸信息。对框架式砖质历史建筑的所有砌体进行勘察，记录所有砌体的破损情况，得到砖体的裂缝宽度、残损尺寸、风化厚度相关信息，使用阻抗仪获取构件内部缺陷及损伤信息，并将上述信息按照等面积原则转换成构件的等效尺寸、按照等惯性矩原则转换成构件的等效刚度。
步骤S2. 对框架式砖质历史建筑进行法式勘察，确定框架式砖质历史建筑形制为6层框架式砖塔，竖向构件包括砖柱和砖墙，连接形式为斗拱式连接，采用环境激励法对该框架式砖质历史建筑进行在白噪声激励下的动力性能检测，获得其前三阶振型，前三阶振型模态频率分别为f 1 =0.9Hz、f 2 =3.25Hz、f 3 =6Hz。
步骤S3. 本实施例的框架式砖质历史建筑共有54根柱和24片墙，有8片墙和12根柱有较高的文物保留价值需判定为不允许损伤，故对此78根竖向构件划分等级，其中不允许变形损伤的构件为20根，均定义为A级；允许微损伤可修的构件为58根，均定义为B级。
S4. 运用ABAQUS软件建立分析模型，将建立的6层框架式砖质历史建筑整体结构离散为离散单元矩阵，进而确定离散单元的空间位置和单元形状，依据步骤S1中得到的砖石质材料的力学性能定义砖石质单元的材料属性，依据步骤S2中得到的缝隙粘结材料的力学性能设置连接单元将相连的砖石质单元进行连接，基于离散体动力学计算方法对框架式砖质历史建筑的分析模型进行动力特性分析，得到数值分析的前三阶振型，分别对应模态频率为f 1a =0.91Hz、f 2a =3.3Hz、f 3a =6.1Hz，将分析结果与在步骤S2中得到的实际动力特性进行对比，误差满足要求，之后基于离散体动力学计算方法对该模型进行设计地震作用下数值分析，得到砌体及粘结单元的应力、应变、位移、速度、加速度、能量、竖向构件剪力等地震效应。
S5. 统计每个竖向构件承担的剪力V i 与总剪力V f 的比值β i ，将β i 较大的前30%的构件贡献程度划为突出，这样构件有10根，均定义为1等级；将β i 较小的后30%的构件贡献程度划为较小，这样的构件共有50根，均定义为3等级；其余构件有18根，均定义为2等级。
S6. 根据分析结果判断柱、墙在设计地震作用下破坏程度，严重破坏构件共有28根，均定义为d等级，轻微破坏构件共有30根，均定义为e等级，无破坏构件共有20根，均定义为f等级。
S7. 对所有柱、墙定义的等级进行统计，其中A1d等级构件7根、A2d等级构件7根、A2e等级构件2根、B1d等级构件1根、B2d等级构件7根、B3d等级构件5根，依据构件等级A1d、A2d、A2e、B1d、B2d、B3d的顺序对构件需要补强的迫切程度划分第一至第六补强序列，并按照此序列进行补强。
S8. 对第一补强序列的7根构件确定补强方案为扩大截面法，原砖柱截面尺寸为300mm×300mm，确定了截面扩大尺寸至400mm×400mm，具体方案为在原砖柱外表面涂刷B72丙烯酸树脂文物修复粘结剂，之后在外表面做钢筋网砂浆层。在分析模型中将该7根构件的截面进行扩大，并按照新材料修正相应材料属性，再次基于离散体动力学计算方法对补强后框架式砖质历史建筑进行设计地震作用下数值分析，统计新补强构件承担地震剪力为40%，不满足要求，将第二补强序列的7根构件进行补强方案设计，确定补强方案仍为粘贴碳纤维复合材料补强法，具体方案为在原砖柱外表面涂刷B72丙烯酸树脂文物修复粘结剂，之后在外表面粘贴碳纤维布，涂浸渍树脂。在分析模型中将该7根构件本构和截面尺寸进行相应调整，再次进行设计地震作用下数值分析，新补强构件承担地震剪力为75%，满足要求。
S9. 按照步骤S8确定的补强方案对实际构件进行相应的补强，同时将与之关联的梁进行补强，梁的补强方案也为扩大截面法，完成框架式砖质历史建筑防震性能的提高。
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 (9)

1.一种提高框架式砖石质历史建筑防震性能的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1. 采用现场测试法和/或取样测试法和/或类比试验法对框架式砖石质历史建筑的砖和/或石材料和缝隙粘结材料进行力学性能检测，获得材料力学性能；对框架式砖石质历史建筑进行现场测绘和残损情况勘察，获取所述框架式砖石质历史建筑的几何尺寸信息和构件缺陷及损伤信息；并将上述信息按照等面积原则转换成构件的等效尺寸，按照等惯性矩原则转换成构件的等效刚度；
S2.对所述框架式砖质历史建筑进行法式勘察和动力特性检测，获得建筑形式、构件形式、连接形式和动力特性；
S3.依据构件的损坏对所述框架式砖石质历史建筑价值的影响判定构件的重要程度；
S4.利用有限元软件建立分析模型，进行动力特性分析，将分析结果与在步骤S2中得到的实际动力特性进行对比修正，当误差满足要求后基于离散体动力学计算方法对所述模型进行设计地震作用下数值分析；
S5.判定构件抗震贡献程度，并进行级别划分；
S6.根据分析结果判断各构件在设计地震作用下破坏程度，并判定构件的等级；
S7.对构件划分补强序列；
S8.确定补强方案及补强构件范围；
S9.按照步骤S8所确定的补强方案对构件进行补强；
其中，所述依据构件的损坏对所述框架式砖石质历史建筑价值的影响判定构件的重要程度包括如下步骤：据构件的损坏对框架式砖石质历史建筑价值的影响判定构件的重要程度，将不允许损伤的构件记录为A级，将允许微损伤但是能够修复的构件记录为B级，其中，每个构件的损伤对整个框架式砖石质历史建筑的特点观赏性、遗存价值的影响性不同，若单个构件破坏导致整个框架式砖石质历史建筑失去保留价值，则将该构件定义为不允许损伤；所述判定构件抗震贡献程度，并进行级别划分包括如下步骤：统计每个竖向构件承担的剪力V i 与总剪力V f 的比值β i ，依据每个竖向构件的β i 作为对结构抗震性能贡献的评价标准，将β i 较大的前30%的构件贡献程度划为突出，将β i 较小的后30%的构件贡献程度划为较小，其余构件的贡献程度划为一般，并将贡献程度中的突出、一般、较小分别定义为1、2、3三个等级；所述根据分析结果判断各构件在设计地震作用下破坏程度，并判定构件的等级包括：根据分析结果判断结构构件在设计地震作用下的破坏程度，依据破坏、轻微破坏、无破坏将构件划分为d、e、f三个等级；
其中，所述对构件划分补强序列按照先补强不允许破坏而计算结果为发生破坏的构件、其次补强不允许破坏而计算结果为发生轻微破坏的构件、最后补强允许微损伤而计算结果为发生破坏的构件的原则进行, 相同破坏程度的构件中的分批补强顺序按照先补强抗震贡献突出的构件、其次补强抗震贡献一般的构件，且在框架式砖石质历史建筑平面内均匀对称的原则进行。
2.根据权利要求1所述的提高框架式砖石质历史建筑防震性能的方法，其特征在于：步骤S1中采用现场测试法和/或取样测试法和/或类比试验法对框架式砖石质历史建筑的砖和/或石材料和缝隙粘结材料进行力学性能检测，获得材料力学性能；对框架式砖石质历史建筑进行现场测绘和残损情况勘察，获取所述框架式砖石质历史建筑的几何尺寸信息和构件缺陷及损伤信息；包括如下步骤：
采用现场测试法和/或取样测试法和/或类比试验法对所述框架式砖石质历史建筑的砖石质材料的力学性能进行检测，得到砖石质材料的力-位移曲线，并得到砖石质材料的弹性模量、抗压强度和抗拉强度；
采用现场测试法和/或取样测试法和/或类比试验法对所述框架式砖质历史建筑的缝隙粘结材料的力学性能进行检测，并得到缝隙粘结材料的弹性模量、抗压强度和粘结系数；
对所述框架式砖石质历史建筑进行现场测绘和残损情况勘察，采用现场测量技术和/或三维扫描技术获取所述框架式砖石质历史建筑的几何尺寸信息；
采用压电阻抗的损伤检测技术和/或波动信号分析的损伤检测技术获取所述框架式砖石质历史建筑构件内部、外部缺陷及损伤信息；
将上述信息按照等面积原则转换成构件的等效尺寸、按照等惯性矩原则转换成构件的等效刚度。
3.根据权利要求2所述的提高框架式砖石质历史建筑防震性能的方法，其特征在于：所述现场测量技术为运用长度和角度测量设备对所述框架式砖石质历史建筑的几何尺寸及构件表面残损进行测量；所述三维扫描技术为运用激光、机电对物体空间外形和结构进行扫描，获取物体表面的空间坐标，得到所述框架式砖石质历史建筑的几何尺寸及构件表面残损数据；所述压电阻抗的损伤检测技术为将压电原件粘贴于结构表面作为传感器和驱动器，利用结构特性引起的机械阻抗变化进而判断所述框架式砖石质历史建筑构件内部缺陷及损伤信息；所述波动信号分析的损伤检测技术为分析压电传感器所接收到的波动信号来检测和识别所述框架式砖石质历史建筑构件的内部缺陷及损伤信息。
4.根据权利要求1所述的提高框架式砖石质历史建筑防震性能的方法，其特征在于：所述对所述框架式砖质历史建筑进行法式勘察和动力性能检测，获得建筑形式、构件形式、连接形式和动力特性包括如下步骤：对所述框架式砖石质历史建筑进行法式勘察，记录所述框架式砖石质历史建筑的建筑形式、构件和连接形式，并进行现场动力性能检测，获得所述框架式砖石质历史建筑在白噪声激励下的动力特性。
5.根据权利要求1所述的提高框架式砖石质历史建筑防震性能的方法，其特征在于：运用ANSYS或ABAQUS软件建立分析模型，将建立的框架式砖石质历史建筑整体结构离散为离散的砖石质单元，进而确定离散单元的空间位置和砖石质单元形状，依据步骤S1中得到的砖石质材料的力学性能定义砖石质单元的材料属性，依据步骤S1中得到的缝隙粘结材料的力学性能设置连接单元将相连的砖石质单元进行连接，并根据如下步骤进行求解：
步骤S41.基于离散体动力学计算方法对框架式砖石质历史建筑的分析模型进行动力特性分析，以步骤S2中得到的框架式砖石质历史建筑动力特性进为目标修改所述框架式砖石质历史建筑的砖石质的砖和/或石材料的弹性模量和砖缝粘结材料的粘结系数，进而使分析模型的动力特性分析结果与步骤S2现场实测结果接近，误差不超过±5%；
步骤S42.基于离散体动力学计算方法对框架式砖石质历史建筑进行设计地震作用下数值分析，以单元间相对位移为基本变量，根据缝隙粘结材料的力学性能可计算得到相邻砖石质单元间法向和切向作用力，依据砖石质单元的材料属性进一步得到砖石质单元的应力、应变等力学参数；
步骤S43. 根据砖石质单元在各个方向上与其相邻的砖石质单元间的作用力求合力和合力矩，根据牛顿第二定律求得砖石质单元的加速度、竖向构件剪力；
步骤S44. 对砖石质单元加速度进行时间积分，得到砖石质单元的速度和位移，进而得到所有砖石质单元在任意时刻的速度、位移物理量。
6.根据权利要求5所述的提高框架式砖石质历史建筑防震性能的方法，其特征在于：依据构件等级A1d、A2d、A2e、B1d、B2d、B3d的顺序对构件需要补强的迫切程度划分成第一至第六补强序列，并按照此序列进行分批按需补强。
7.根据权利要求6所述的提高框架式砖石质历史建筑防震性能的方法，其特征在于：所述确定补强方案及补强构件范围包括如下步骤：针对第一补强序列构件确定补强方案，在分析模型中依据补强方案对第一补强序列的构件首先进行补强；之后基于离散体动力学计算方法对补强后的框架式砖石质历史建筑进行设计地震作用下数值分析，判断新补强竖向构件承担的总地震剪力是否大于所有竖向构件总地震剪力的70%，如果满足要求，确定该补强方案，进入步骤S9，如果不满足要求，针对下一补强序列的构件进行补强，之后进行设计地震作用下数值分析，再次进行判断，如果满足要求，进入步骤S9，如果不满足要求，针对下一补强序列进行计算和判断，以此类推，直至完成所有补强序列的构件的补强；如果仍不满足要求，进入步骤S3，调整构件的重要程度和/或抗震贡献程度等级。
8.根据权利要求7所述的提高框架式砖石质历史建筑防震性能的方法，其特征在于：对构件进行补强是基于可逆措施进行补强的；所述可逆措施满足修旧如旧，过程可逆的原则，针对构件的补强方法采用局部替换法、粘贴碳纤维布复合材补强法、外加预应力撑杆补强法、增设扶壁柱补强法、扩大柱截面补强法、预应力补强法中的一种或几种。
9.一种根据权利要求1-8中任意一项权利要求所述的提高框架式砖石质历史建筑防震性能的方法得到的提高框架式砖石质历史建筑防震性能的结构，其特征在于：提高框架式砖石质历史建筑防震性能的结构包括竖向构件、水平构件和楼板，所述竖向构件包括柱和墙；其中，竖向构件为基于可逆措施补强的构件，并且可逆措施满足修旧如旧，过程可逆的原则。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113806858B (zh) * 2021-08-18 2023-08-18 中车长春轨道客车股份有限公司 一种基于结构拓扑优化的动车组车体设计方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101074995A (zh) * 2007-05-17 2007-11-21 杨仕升 建筑物抗震能力的评估方法及其应用
CN104153596A (zh) * 2014-08-21 2014-11-19 中铁西北科学研究院有限公司 砖石古塔整体抗震加固方法
CN106869521A (zh) * 2017-04-16 2017-06-20 广东中森建设工程有限公司 应用静力弹塑性分析技术的旧建筑结构抗震加固方法
CN110067403A (zh) * 2019-05-14 2019-07-30 山东工艺美术学院 古建筑外墙修复方法
KR102022598B1 (ko) * 2019-04-10 2019-09-18 (주)더원이앤씨 건물 취약부의 내진 보강방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111401747B (zh) * 2020-03-17 2023-05-19 上海市建筑科学研究院有限公司 序列型地震作用下砌体结构的易损性分析方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101074995A (zh) * 2007-05-17 2007-11-21 杨仕升 建筑物抗震能力的评估方法及其应用
CN104153596A (zh) * 2014-08-21 2014-11-19 中铁西北科学研究院有限公司 砖石古塔整体抗震加固方法
CN106869521A (zh) * 2017-04-16 2017-06-20 广东中森建设工程有限公司 应用静力弹塑性分析技术的旧建筑结构抗震加固方法
KR102022598B1 (ko) * 2019-04-10 2019-09-18 (주)더원이앤씨 건물 취약부의 내진 보강방법
CN110067403A (zh) * 2019-05-14 2019-07-30 山东工艺美术学院 古建筑外墙修复方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
圣寿寺古砖塔动力性能及抗震能力研究;方菲;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》;20190115;第9页2、古砖塔砌体受压力学性能测试研究2.1、引言，第19页3.2、圣寿寺塔概况3.3、有限元模型的建立，第29页4.1、引言 *
砖塔结构动力特性试验分析;刘大鹏等;《山西建筑》;20071130;第33卷(第33期);第23页4、结语 *
钢箍加固砖石古塔砌体墙抗震性能试验研究;乾勇;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》;20130715;第10页、2.3有限元概述 *

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