古建筑结构在工业振动作用下的容许振动指标的确定方法

摘要

本发明涉及一种古建筑结构在工业振动作用下的容许振动指标的确定方法，特别是涉及以疲劳极限作为确定古建筑结构在工业振动作用下容许振动指标的方法，包括在实验室内对古建筑材料进行疲劳试验，求得该材料的疲劳曲线、疲劳极限及动弹性模量或动剪切模量；考虑安全因数后，将疲劳极限状态下的动应力作为容许动应力；由容许动应力和动弹性模量求得容许动应变；根据动应变与质点速度成正比，与纵、横波传播速度成反比的关系，计算出容许振动速度。本发明的方法为有效地保护古建筑结构的完整性提供依据，本发明的方法亦可用于确定除古建筑外的其他可移动或不可移动文物的容许振动指标。

权利要求

1.一种古建筑结构在工业振动作用下的容许振动指标的确定方法，其特征在于上述的容许振动指标是基于疲劳极限确定的，并且上述方法包括以下步骤：步骤1：在实验室内对古建筑材料进行疲劳试验，求得该材料的疲劳曲线、疲劳极限(σ∞或τ∞)及动弹性模量(Ed)或动剪切模量(Gd)；

步骤2：考虑安全因数后，将疲劳极限状态下的动应力作为容许动应力；

步骤3：由容许动应力和动弹性模量或动剪切模量求得容许动应变；

步骤4：根据动应变与质点速度成正比，与纵、横波传播速度成反比的关系，计算出容许振动速度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于上述步骤2中所述的考虑安全因数后，将疲劳极限状态下的动应力作为容许动应力是将疲劳极限(σ∞或τ∞)除以安全系数k作为容许动应力，即竖向容许动应力[σ]＝σ∞/k；水平向容许动应力[τ]＝τ∞/k。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于上述步骤3所述的由容许动应力和动弹性模量或动剪切模量求得容许动应变的方法是将上述步骤2中的容许动应力[σ]或[τ]除以上述步骤1中的动弹性模量(Ed)或动剪切模量(Gd)，求出容许动应变[ε]。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于上述步骤4所述的计算出容许振动速度的方法包括根据竖向动应变[εp]＝V0/VP，水平向动应变[εS]＝V0/VS，求得竖向容许振动速度[V0]＝[εp]×VP，水平向容许振动速度[V0]＝[εS]×VS，式中VP是纵波传播速度、VS是横波传播速度。

5.权利要求1所述的方法在防止工业振动和有效保护可移动和不可移动文物的完整性中的应用。

说明书

技术领域

本发明涉及建筑结构容许振动指标的确定技术，特别涉及一种用于古建筑结构在工业振动作用下的容许振动指标的确定方法，尤其是涉及以疲劳极限作为确定古建筑结构在工业振动作用下容许振动指标的方法。本发明的方法为有效地保护古建筑结构的完整性提供依据，同时本发明的方法可用于确定其他可移动或不可移动文物的容许振动指标。

背景技术

随着现代工业和基本建设事业的不断发展，铁路、公路、采矿以及大型动力设备等工业振源迅速增加。这些工业振动对地面上的可移动或不可移动文物，特别是占塔、寺庙、石窟等古建筑所受到的影响和危害随之加剧。
古建筑是不可再生的资源，失去了就再也无法挽回，要实现经济和社会的可持续发展，必须在搞好经济建设的同时保护好古建筑。
国内外关于建筑结构容许振动指标大致有两类：一类是针对建筑物内人的舒适性或精密仪器设备的敏感性制订的；另一类是针对建筑结构本身的安全性(不引起破坏)制订的。由于古建筑的历史、文化和科学价值，不能和现代建筑一样，仅以安全性作为制订容许振动指标的依据显然是不够的，而必须在考虑安全性的基础上还要考虑其完整性，例如不产生裂缝。然而，目前中国国内尚没能这样一个适用于移动或不移动文物，特别是古建筑的容许指标。
因此，需要有一种能用于确定古建筑结构在工业振动作用下的容许振动指标的方法，从而制订出科学的、符合实际的古建筑结构容许振动指标。

发明内容

本发明涉及可移动和不可移动文物的保护，特别是涉及在古建筑结构遭受工业振动的情况下，制定古建筑的容许振动指标。该指标可以作为保护占建筑结构完整性的依据。
本发明的目的是提供一种古建筑结构在工业振动作用下的容许振动指标的确定方法，其特征在于所说的指标是基于疲劳极限确定的。
简单地说，本发明的方法包括以下步骤：
(1)在实验室内对古建筑材料进行疲劳试验，求得该材料的疲劳曲线、疲劳极限及动弹性模量或动剪切模量；
(2)考虑安全因素后，将疲劳极限状态下的动应力作为容许动应力；
(3)由容许动应力和动弹性模量求得容许动应变；
(4)根据动应变与质点速度成正比，与纵、横波传播速度成反比的关系，计算出容许振动速度。
与短暂的、强烈的地震的作用不同，工业振动，例如靠近古建筑的地面交通工具的运行、各种机械的运转等的工业振动对古建筑结构的影响则是长期的和微小的。本发明从古建筑所遭受的工业振动的这一特点出发，提出以疲劳极限作为古建筑结构防工业振动的依据，从而达到保护古建筑结构完整性的目的。本说明书中使用的术语“疲劳极限”是指材料或结构在无限多次往复荷载作用下不产生裂缝也不会导致破坏的最大动应力。
工业振源产生的振动，通过土层以波动的形式传至古建筑结构，从而引起结构的动力反应。工业振动对古建筑结构的影响，实质上是个波动问题。根据弹性介质波动理论，可得出建筑结构上任一点的动应变(ε)与该处质点速度(VO)成正比，与纵、横波的传播速度(VP、VS)成反比，即水平向动应变εS＝VO/VS，竖向动应变εP＝VO/VP。由此可见，古建筑结构的振动速度可由动应变和弹性波传播速度计算出来。
基于工业振动的特点，本发明人经过长期理论研究与分析，并通过大量实验室和现场实际测试，清楚的认识到，在确定古建筑结构容许振动指标时，不仅要考虑到占建筑结构的安全性，而且还必须充分考虑到古建筑结构的完整性。为此，确定以疲劳极限作为古建筑结构容许振动指标的依据。本发明人在实验室内完成了对古建筑材料的反复实验，在现场实测了大量有代表性的古建筑结构，并进一步分析了相关参数及其关系，从而制订了以疲劳极限为基础的古建筑结构防工业振动的控制指标。
本发明提出的占建筑结构在工业振动作用下的容许振动指标的确定方法，是基于本发明人对材料疲劳和结构波动理论的研究，以及对古建筑材料的室内实验和有代表性古建筑结构的现场实测后总结得出的。室内实验和现场实测内容包括：(1)寺庙、殿堂、楼阁、石塔、砖塔、木塔、石窟等古建筑结构90多处，共获得时程曲线1万多条；(2)火车、汽车、爆破、打桩等振动随距离衰减曲线1千多条，测线长度160公里；(3)古建筑材料(古木材、占砖、石材等)的抗弯、抗压、抗剪、弹性模量等实验，试件300多个；(4)古木材、石材的压缩疲劳、弯曲疲劳实验(设定疲劳次数1000万次)，试件300多个；(5)室内和现场实测弹性传播速度300多处。对于遭受工业振动影响的占建筑结构来说，该指标制定方法是科学和符合实际的，因此也是切实可行的。
采用本发明的古建筑结构在工业振动作用下的容许振动指标的确定方法，可以切实地、科学地、符合实际需要地制定出古建筑结构在工业振动作用下的容许振动指标，为有效地保护古建筑结构的完整性提供科学依据，同时本发明的方法亦可用于确定其他可移动或不可移动文物的容许振动指标。顺便提一下，本说明书中使用的术语“可移动和不可移动文物”包括：(1)古文化遗址、占建筑、占墓葬、石窟寺、石刻、壁画；(2)历史上各时代的珍贵艺术品、工艺美术品；(3)反映历史上各时代、各民族社会制度、社会生产、社会生活的代表性实物；(4)具有科学价值的古脊椎动物化石、占人类化石；(5)具有重要纪念意义、教育意义或史料价值的近代现代重要史迹、实物、代表性建筑等。
下面参照附图对本发明进一步进行说明。

附图说明

图1为古建筑材料疲劳曲线示意图。其中σ代表在往复荷载作用下，材料所承受的动应力；σ∞代表在无限多往复荷载作用下，材料不产生破坏的最大动应力(即疲劳极限)；N代表往复荷载作用的次数。

具体实施方式

疲劳是材料或结构在往复荷载作用下，由变形累进到一定程度后所导致的破坏。从图1可以看到，引起材料或结构疲劳破坏的外荷载有一个下限值，这就是疲劳极限。当最大往复应力小于疲劳极限时，此应力的变化对材料或结构疲劳不起作用，也就是说当最大往复应力小于疲劳极限时，无论往复多少次，材料或结构的变形达到一定值后就不再继续增长，也不会造成破坏。因此，本发明根据这一特性，将工业振动产生的最大动应力控制在疲劳极限以下，这样，即使经过无限多次往复运动，古建筑结构也不会产生裂缝(或已有裂缝不再继续扩展)。
本发明的方法的具体实施步骤如下：
(1)在实验室内对古建筑材料进行疲劳试验，求得该材料的疲劳曲线、疲劳极限(σ∞或τ∞)、动弹性模量(Ed)或动剪切模量(Gd)；
(2)将疲劳极限(σ∞或τ∞)除以安全系数k作为容许动应力，即竖向容许动应力[σ]＝σ∞/k；水平向容许动应力[τ]＝τ∞/k；
(3)将(2)中的容许动应力[σ]或[τ]除以(1)中动弹性模量Ed(或动剪切模量Gd)，即求出容许动应变[ε]；
(4)可根据竖向动应变[εp］＝VO/VP，水平向动应变[εS］＝VO/VS，求得竖向容许振动速度[V0]＝[εp]×VP，水平向容许振动速度[V0］＝[εS]×VS。
下面用实施例对本发明的方法及其应用进行具体说明。
实施例1：武当山玉虚宫御碑容许振动指标的确定
玉虚宫作为武当山古建筑群的一部分，于1994年列入《世界文化遗产目录》。沪汉蓉铁路(襄樊至安康段)途经玉虚宫北面，离玉虚宫最近距离不到30m，宫内御碑多处产生裂缝。文物部门希望铁路迁移，铁道部门认为御碑的裂缝不一定是火车振动造成的，经多次专家论证，对御碑产生裂缝的原因未能取得一致意见。
要解决火车振动对御碑保护之间的矛盾，首先得制订御碑的容许振动指标。御碑为硅质砂岩，碑高4.9m，宽2.35m，厚0.77m，按照本发明提出的方法，根据实验得出：硅质砂岩的抗剪疲劳极限T∞＝0.082MPa(由于御碑淹没在数米深的淤泥中达60年之久，受湿度的影响，硅质砂岩强度和疲劳寿命显著降低)，动剪切模量Gd＝18.76GPa，安全系数取2，于是得出水平向容许动应度[ε］＝0.218×10-5。
由于御碑已多处产生裂缝，其模波传播速度Vs＝150m/s。按照发明内容中提到的动应变与质点振动速度成正比，与弹性波速度成反比的关系，求得御碑的水平向容许振动速度[VO］＝0.218×10-5×150×103＝0.327mm/s。这一指标为处理火车振动与御碑保护提供了科学的、符合实际的依据。
实施例2：山西太原晋祠圣母殿容许振动指标的确定
晋祠圣母殿、献殿是我国宋代建筑的代表作。圣母殿后山有一条公路，常年有运煤重型卡车通过。2000年，晋祠在申请世界文化遗产时，根据联合国教科文组织的要求，对圣母殿的振动问题进行评估。
在评估之前必须制订圣母殿的容许振动指标，根据本发明提出的古建筑结构容许振动指标的确定方法，求得：圣母殿的容许振动速度[VO]＝0.18mm/s，这一指标为评估提供了依据，有助于晋祠对世界文化遗产的申请。
上述实施例仅举例说明本发明的原理及其作用，而非用于限制本发明。任何所属技术领域的技术人员均可在不违背本发明的思想及精神范围内，对上述实施例进行修改与变化。因此，本发明的权利保护范围，应以权利要求所为准。