摘要
石古塔砌体中块体间粘结材料强度较低,在地震作用下易沿灰缝发生开裂破坏,导致结构倒塌,砖石古塔地震倒塌机制是其抗震能力评定的重要依据之一.为研究古塔开裂过程中的动力响应及倒塌破坏,以兴教寺玄奘塔为对象,结合古塔模型振动台试验结果,采用三维块体离散元程序建立了兴教寺玄奘塔1/8缩尺模型,输入地震波进行模型动力响应计算.将计算结果与振动台试验结果对比,分析了塔体的动力特性及结构损伤破坏过程,并通过数值扩展分析,实现了大震作用下塔体倒塌过程模拟.而后采用该方法对原型塔结构进行扩展模拟,引入层间刚度差,在3条地震波的激励下,模拟了原型塔倒塌破坏过程,通过对缩尺塔、原型塔的破坏模式比较,明确了玄奘塔在地震作用下的倒塌机制.主要工作及结论如下: (1)采用内置命令流建立玄奘塔1/8缩尺模型的三维块体离散元模型,赋予块体刚性化、节理面遵循库伦滑移破坏的接触参数,并将所输地震波进行基线校正、加速度时程曲线积分,进行了地震作用下动力计算. (2)通过无阻尼自由振动分析及快速傅里叶变换,得到模型结构的第1阶频率(13.3Hz)及相应的振型,与振动台试验结果基本一致,表明缩尺塔的数值模型与原结构的动力特性一致. (3)参照振动台试验地震波加载工况,依次输入相应烈度幅值的地震波进行强震模拟计算,分析了各层测点峰值加速度放大系数、顶层位移时程曲线和层间位移角,与试验结果对比发现:低烈度地震作用下,加速度放大系数呈逐层增长趋势,当地震烈度提高后,中部楼层损伤加剧,加速度放大系数出现峰值拐点.与此同时,顶层因鞭端效应及剪切刚度减小,位移响应最大、层间位移显著,故玄奘塔结构的抗震薄弱层位于中间层及顶层. (4)地震作用下,模型塔的损伤多发生于中部楼层.塔体裂缝演变过程、节理面剪切位移变化结果表明:首层因内部中空及承重大,地震波激励下易产生较大剪切位移而率先开裂.地震烈度提高后,塔体内部的内填土因粘聚力小而剧烈运动,导致中部楼层在内填土变形扩张、高强度地震波的共同作用下开裂破坏,多为竖向裂缝且贯穿塔身.与此同时,塔体各层券洞口及塔檐处也存在不同程度开裂,损伤破坏现象与振动台试验结果一致. (5)对比玄奘塔1/8缩尺模型、原型结构的倒塌破坏过程,依据塔体位移响应、裂缝开展过程、剪应力时程计算结果分析,确定玄奘塔的倒塌机制为:地震作用下玄奘塔因内填土抗剪强度较弱,反应剧烈致使外部结构被划分为多个独立单元,各单元之间的相互作用导致部分单元失效,加载工况的叠加致使结构各层损伤不断累积,顶层因刚度最小而产生鞭端效应,首先发生局部垮塌,而后塔体由上至下逐层倒塌破坏. (6)考虑渐近损伤,原型塔在非线性动态响应分析中发现,结构在弹塑性阶段位移变化浮度较小,各层相继进入破坏阶段后,位移急剧增长,块体分离导致坍塌过程迅速,塔体呈脆性破坏.同时塔体各层受开洞位置的影响,倒塌模式呈现各向异性.为防止此玄奘塔倒塌,需对各层券洞口进行加固,以延缓损伤发展,避免结构倒塌.
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