應(yīng)縣木塔梁柱節(jié)點增強傳遞壓力效能研究.pdf

1、古建筑木結(jié)構(gòu)的體型一般很大，構(gòu)件因橫紋局壓而產(chǎn)生過大的變形甚至嚴(yán)重破壞的現(xiàn)象非常普遍，這是其修繕加固中的關(guān)鍵問題，而且在應(yīng)縣木塔中尤為突出。應(yīng)縣木塔是參考唐代2～3層殿堂結(jié)構(gòu)的建造經(jīng)驗，將殿堂依次疊合而成的高聳木結(jié)構(gòu)，明、暗共9層，高67.31米。相對于一般殿堂結(jié)構(gòu)，高度和自重的成倍增加，使木塔遇到前所未有的兩項難題：其一是因自重增加，使承受上層柱軸向荷載的梁（普拍枋和梁栿）橫紋局壓應(yīng)力成倍地超過設(shè)計強度而產(chǎn)生嚴(yán)重的壓縮變形甚至劈裂，導(dǎo)

2、致木塔整體豎向變位。其二是因高度增加，地震荷載作用下的安全可靠成為木塔整體結(jié)構(gòu)的主要問題。由于木塔采用了唐代殿堂內(nèi)、外分槽的結(jié)構(gòu)形式，用兩層柱圈構(gòu)成筒體，并逐層加設(shè)了層高較低稱為平坐的剛度加強層，再加上兩圈柱子都由下至上向內(nèi)傾斜對筒體形成環(huán)箍力，這些措施幫助木塔抵抗了多次強烈地震而未倒。但是，目前木塔殘留的整體傾斜、層間側(cè)移以及由木材橫紋壓縮引起的豎向壓縮變形等都已達到嚴(yán)重影響其安全可靠的程度，所以，木材橫紋局壓增強加固問題亟待解決，以

3、防突變。
　　本文首先研究了木塔結(jié)構(gòu)構(gòu)造和殘損情況，并結(jié)合木材的微觀構(gòu)造，探討了橫紋承壓的傳力機理和橫紋承壓強度設(shè)計值的確定方法。然后計算了木構(gòu)件橫紋局壓的抗力作用效應(yīng)比。分析發(fā)現(xiàn)，木塔底部幾層普拍枋和梁栿（柱腳下的橫梁）的橫紋局壓抗力作用效應(yīng)比最小的僅有0.24，勢必產(chǎn)生過大的變形，是引起木塔高度降低的主要原因，也是木塔當(dāng)前最大的安全隱患。針對木材橫紋局壓的受力特點和加固目標(biāo)，本文提出“插筋法”增強古建筑木構(gòu)件的橫紋局壓承載力的

4、技術(shù)，研究增強機理和加固后的力學(xué)性能，探討制作工藝及在應(yīng)縣木塔中的應(yīng)用問題。普拍枋的截面高度相對較小，橫紋局壓高應(yīng)力區(qū)貫穿整個構(gòu)件截面，采取棒材兩端直接承壓的技術(shù)；梁栿的截面高度較大，增強棒材一端承壓，另一端沒有直接承壓面，靠棒材與木材之間的膠層摩擦傳遞荷載。
　　普拍枋中增強棒材的受力形式相當(dāng)于木材側(cè)向彈性約束下的軸壓問題，因而，先從理論角度分析了側(cè)向彈性約束下棒材的計算長度系數(shù)的計算方法，進而求得其長細比和穩(wěn)定承載力。然后設(shè)計

5、了一系列試驗驗證了理論分析的正確性。同時還研究了木材邊距、間距和端距對棒材穩(wěn)定承載力的影響，計算求得木材邊、端距的最小值。最后，通過鋼筋增強木材橫紋局壓標(biāo)準(zhǔn)試件的試驗，研究了增強構(gòu)件橫紋局壓承載能力隨棒材含量增加的變化規(guī)律，以及增強構(gòu)件的破壞形式。在上述研究成果的基礎(chǔ)上，本文提出了普拍枋橫紋局壓增強加固承載力的計算公式。
　　梁栿橫紋局壓增強技術(shù)中木材與棒材之間的剪力傳遞機理是關(guān)鍵問題，為此本文首先進行一系列膠縫抗剪承載力試驗，研

6、究了不同膠縫厚度和棒材埋深下增強構(gòu)件承載力的變化規(guī)律，并提出了棒材臨界埋深的計算方法；然后進行了標(biāo)準(zhǔn)試件增強試驗，結(jié)果表明該技術(shù)是可行性的。通過引入綁定(tie)接觸約束，建立超負荷橫紋局壓木構(gòu)件增強加固的3維有限元計算模型。研究了膠縫內(nèi)剪應(yīng)力的分布規(guī)律及其變化趨勢；增強構(gòu)件不同高度上內(nèi)力和豎向變形沿水平方向的分布規(guī)律和變化趨勢；埋深對膠縫剪應(yīng)力的分布規(guī)律和變化趨勢的影響等內(nèi)容，系統(tǒng)探討了鋼筋、膠縫及木材的受力機理和超負荷橫紋承壓木構(gòu)件

7、的增強機理。在此基礎(chǔ)上，分析了木材和棒材共同參與承壓下單棒受力機理，研究了多棒共同工作時埋入深度的優(yōu)化和棒材受力不均勻性的調(diào)整等問題，最后，提出了梁栿橫紋局壓增強加固的計算方法。
　　殘損嚴(yán)重的普拍枋、梁栿及柱子需要換新，根據(jù)規(guī)范 GB50165-92第6.3.1條的規(guī)定，確定選擇強度高、耐腐蝕的東北落葉松為修繕用材。為此，需要落葉松木材的防裂和大截面構(gòu)件的制作問題。根據(jù)破心下料釋放環(huán)向干縮應(yīng)力的原理，設(shè)計3組對比試驗，觀測了落葉