古建築結構在工業振動作用下的容許振動指標的確定方法
2023-04-27 08:19:31 1
專利名稱：古建築結構在工業振動作用下的容許振動指標的確定方法
技術領域：
本發明涉及建築結構容許振動指標的確定技術，特別涉及一種用於古建築結構在工業振動作用下的容許振動指標的確定方法，尤其是涉及以疲勞極限作為確定古建築結構在工業振動作用下容許振動指標的方法。本發明的方法為有效地保護古建築結構的完整性提供依據，同時本發明的方法亦可用於確定其他可移動或不可移動文物的容許振動指標。
背景技術：
隨著現代工業和基本建設事業的不斷發展，鐵路、公路、採礦以及大型動力設備等工業振源迅速增加。這些工業振動對地面上的可移動或不可移動文物，特別是古塔、寺廟、石窟等古建築所受到的影響和危害隨之加劇。
古建築是不可再生的資源，失去了就再也無法挽回，要實現經濟和社會的可持續發展，必須在搞好經濟建設的同時保護好古建築。
國內外關於建築結構容許振動指標大致有兩類一類是針對建築物內人的舒適性或精密儀器設備的敏感性制訂的；另一類是針對建築結構本身的安全性(不引起破壞)制訂的。由於古建築的歷史、文化和科學價值，不能和現代建築一樣，僅以安全性作為制訂容許振動指標的依據顯然是不夠的，而必須在考慮安全性的基礎上還要考慮其完整性，例如不產生裂縫。然而，目前中國國內尚沒能這樣一個適用於移動或不移動文物，特別是古建築的容許指標。
因此，需要有一種能用於確定古建築結構在工業振動作用下的容許振動指標的方法，從而制訂出科學的、符合實際的古建築結構容許振動指標。
發明內容
本發明涉及可移動和不可移動文物的保護，特別是涉及在古建築結構遭受工業振動的情況下，制定古建築的容許振動指標。該指標可以作為保護古建築結構完整性的依據。
本發明的目的是提供一種古建築結構在工業振動作用下的容許振動指標的確定方法，其特徵在於所說的指標是基於疲勞極限確定的。
簡單地說，本發明的方法包括以下步驟(1)在實驗室內對古建築材料進行疲勞試驗，求得該材料的疲勞曲線、疲勞極限及動彈性模量或動剪切模量；(2)考慮安全因素後，將疲勞極限狀態下的動應力作為容許動應力；(3)由容許動應力和動彈性模量求得容許動應變；(4)根據動應變與質點速度成正比，與縱、橫波傳播速度成反比的關係，計算出容許振動速度。
與短暫的、強烈的地震的作用不同，工業振動，例如靠近古建築的地面交通工具的運行、各種機械的運轉等的工業振動對古建築結構的影響則是長期的和微小的。本發明從古建築所遭受的工業振動的這一特點出發，提出以疲勞極限作為古建築結構防工業振動的依據，從而達到保護古建築結構完整性的目的。本說明書中使用的術語「疲勞極限」是指材料或結構在無限多次往復荷載作用下不產生裂縫也不會導致破壞的最大動應力。
工業振源產生的振動，通過土層以波動的形式傳至古建築結構，從而引起結構的動力反應。工業振動對古建築結構的影響，實質上是個波動問題。根據彈性介質波動理論，可得出建築結構上任一點的動應變(ε)與該處質點速度(V0)成正比，與縱、橫波的傳播速度(VP、VS)成反比，即水平向動應變εS＝V0/VS，豎向動應變εP＝V0/VP。由此可見，古建築結構的振動速度可由動應變和彈性波傳播速度計算出來。
基於工業振動的特點，本發明人經過長期理論研究與分析，並通過大量實驗室和現場實際測試，清楚的認識到，在確定古建築結構容許振動指標時，不僅要考慮到古建築結構的安全性，而且還必須充分考慮到古建築結構的完整性。為此，確定以疲勞極限作為古建築結構容許振動指標的依據。本發明人在實驗室內完成了對古建築材料的反覆實驗，在現場實測了大量有代表性的古建築結構，並進一步分析了相關參數及其關係，從而制訂了以疲勞極限為基礎的古建築結構防工業振動的控制指標。
本發明提出的古建築結構在工業振動作用下的容許振動指標的確定方法，是基於本發明人對材料疲勞和結構波動理論的研究，以及對古建築材料的室內實驗和有代表性古建築結構的現場實測後總結得出的。室內實驗和現場實測內容包括(1)寺廟、殿堂、樓閣、石塔、磚塔、木塔、石窟等古建築結構90多處，共獲得時程曲線1萬多條；(2)火車、汽車、爆破、打樁等振動隨距離衰減曲線1千多條，測線長度160公裡；(3)古建築材料(古木材、古磚、石材等)的抗彎、抗壓、抗剪、彈性模量等實驗，試件300多個；(4)古木材、石材的壓縮疲勞、彎曲疲勞實驗(設定疲勞次數1000萬次)，試件300多個；(5)室內和現場實測彈性傳播速度300多處。對於遭受工業振動影響的古建築結構來說，該指標制定方法是科學和符合實際的，因此也是切實可行的。
採用本發明的古建築結構在工業振動作用下的容許振動指標的確定方法，可以切實地、科學地、符合實際需要地制定出古建築結構在工業振動作用下的容許振動指標，為有效地保護古建築結構的完整性提供科學依據，同時本發明的方法亦可用於確定其他可移動或不可移動文物的容許振動指標。順便提一下，本說明書中使用的術語「可移動和不可移動文物」包括(1)古文化遺址、古建築、古墓葬、石窟寺、石刻、壁畫；(2)歷史上各時代的珍貴藝術品、工藝美術品；(3)反映歷史上各時代、各民族社會制度、社會生產、社會生活的代表性實物；(4)具有科學價值的古脊椎動物化石、古人類化石；(5)具有重要紀念意義、教育意義或史料價值的近代現代重要史跡、實物、代表性建築等。
下面參照附圖對本發明進一步進行說明。
圖1為古建築材料疲勞曲線示意圖。其中σ代表在往復荷載作用下，材料所承受的動應力；σ∞代表在無限多往復荷載作用下，材料不產生破壞的最大動應力(即疲勞極限)；N代表往復荷載作用的次數。
具體實施例方式
疲勞是材料或結構在往復荷載作用下，由變形累進到一定程度後所導致的破壞。從圖1可以看到，引起材料或結構疲勞破壞的外荷載有一個下限值，這就是疲勞極限。當最大往復應力小於疲勞極限時，此應力的變化對材料或結構疲勞不起作用，也就是說當最大往復應力小於疲勞極限時，無論往復多少次，材料或結構的變形達到一定值後就不再繼續增長，也不會造成破壞。因此，本發明根據這一特性，將工業振動產生的最大動應力控制在疲勞極限以下，這樣，即使經過無限多次往復運動，古建築結構也不會產生裂縫(或已有裂縫不再繼續擴展)。
本發明的方法的具體實施步驟如下(1)在實驗室內對古建築材料進行疲勞試驗，求得該材料的疲勞曲線、疲勞極限(σ∞或τ∞)、動彈性模量(Ed)或動剪切模量(Gd)；(2)將疲勞極限(σ∞或τ∞)除以安全係數k作為容許動應力，即豎向容許動應力[σ]＝σ∞/k；水平向容許動應力[τ]＝τ∞/k；(3)將(2)中的容許動應力[σ]或[τ]除以(1)中動彈性模量Ed(或動剪切模量Gd)，即求出容許動應變[ε]；(4)可根據豎向動應變[εp]V0/VP，水平向動應變[εS]＝V0/VS，求得豎向容許振動速度[V0]＝[εp]×VP，水平向容許振動速度[V0]＝[εS]×VS。
下面用實施例對本發明的方法及其應用進行具體說明。
實施例1武當山玉虛宮御碑容許振動指標的確定玉虛宮作為武當山古建築群的一部分，於1994年列入《世界文化遺產目錄》。滬漢蓉鐵路(襄樊至安康段)途經玉虛宮北面，離玉虛宮最近距離不到30m，宮內御碑多處產生裂縫。文物部門希望鐵路遷移，鐵道部門認為御碑的裂縫不一定是火車振動造成的，經多次專家論證，對御碑產生裂縫的原因未能取得一致意見。
要解決火車振動對御碑保護之間的矛盾，首先得制訂御碑的容許振動指標。御碑為矽質砂巖，碑高4.9m，寬2.35m，厚0.77m，按照本發明提出的方法，根據實驗得出矽質砂巖的抗剪疲勞極限τ∞＝0.082MPa(由於御碑淹沒在數米深的淤泥中達60年之久，受溼度的影響，矽質砂巖強度和疲勞壽命顯著降低)，動剪切模量Gd＝18.76GPa，安全係數取2，於是得出水平向容許動應度[ε]＝0.218×10-5。
由於御碑已多處產生裂縫，其模波傳播速度Vs＝150m/s。按照發明內容中提到的動應變與質點振動速度成正比，與彈性波速度成反比的關係，求得御碑的水平向容許振動速度[V0]＝0.218×10-5×150×103＝0.327mm/s。這一指標為處理火車振動與御碑保護提供了科學的、符合實際的依據。
實施例2山西太原晉祠聖母殿容許振動指標的確定晉祠聖母殿、獻殿是我國宋代建築的代表作。聖母殿後山有一條公路，常年有運煤重型卡車通過。2000年，晉祠在申請世界文化遺產時，根據聯合國教科文組織的要求，對聖母殿的振動問題進行評估。
在評估之前必須制訂聖母殿的容許振動指標，根據本發明提出的古建築結構容許振動指標的確定方法，求得聖母殿的容許振動速度[V0]＝0.18mm/s，這一指標為評估提供了依據，有助於晉祠對世界文化遺產的申請。
上述實施例僅舉例說明本發明的原理及其作用，而非用於限制本發明。任何所屬技術領域的技術人員均可在不違背本發明的思想及精神範圍內，對上述實施例進行修改與變化。因此，本發明的權利保護範圍，應以權利要求所為準。
權利要求
1.一種古建築結構在工業振動作用下的容許振動指標的確定方法，其特徵在於上述的容許振動指標是基於疲勞極限確定的，並且上述方法包括以下步驟步驟1在實驗室內對古建築材料進行疲勞試驗，求得該材料的疲勞曲線、疲勞極限(σ∞或τ∞)及動彈性模量(Ed)或動剪切模量(Gd)；步驟2考慮安全因數後，將疲勞極限狀態下的動應力作為容許動應力；步驟3由容許動應力和動彈性模量求得容許動應變；步驟4根據動應變與質點速度成正比，與縱、橫波傳播速度成反比的關係，計算出容許振動速度。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於上述步驟2中所述的考慮安全因數後，將疲勞極限狀態下的動應力作為容許動應力是將疲勞極限(σ∞或τ∞)除以安全係數k作為容許動應力，即豎向容許動應力[σ]＝σ∞/k；水平向容許動應力[τ]＝τ∞/k。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於上述步驟3所述的由容許動應力和動彈性模量求得容許動應變的方法是將上述步驟2中的容許動應力[σ]或[τ]除以上述步驟1中的動彈性模量(Ed)或動剪切模量(Gd)，求出容許動應變[ε]。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵在於上述步驟4所述的計算出容許振動速度的方法包括根據豎向動應變[εp]＝VO/VP，水平向動應變[εS]＝VO/VS，求得豎向容許振動速度[VO]＝[εp]×VP，水平向容許振動速度[VO]＝[εS]×VS。
5.權利要求1所述的方法在防止工業振動和有效保護可移動和不可移動文物的完整性中的應用。
全文摘要
本發明涉及一種古建築結構在工業振動作用下的容許振動指標的確定方法，特別是涉及以疲勞極限作為確定古建築結構在工業振動作用下容許振動指標的方法，包括在實驗室內對古建築材料進行疲勞試驗，求得該材料的疲勞曲線、疲勞極限及動彈性模量或動剪切模量；考慮安全因數後，將疲勞極限狀態下的動應力作為容許動應力；由容許動應力和動彈性模量求得容許動應變；根據動應變與質點速度成正比，與縱、橫波傳播速度成反比的關係，計算出容許振動速度。本發明的方法為有效地保護古建築結構的完整性提供依據，本發明的方法亦可用於確定除古建築外的其他可移動或不可移動文物的容許振動指標。
文檔編號G01M7/00GK1995964SQ200610170379
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月29日 優先權日2006年12月29日
發明者潘復蘭 申請人:五洲工程設計研究院