(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210632695.X (22)申请日 2022.06.07 (71)申请人 中国航空规划设计 研究总院有限公 司 地址 100120 北京市西城区德外大街12号 (72)发明人 葛家琪　刘鑫刚　马伯涛　刘金泰　 刘邦宁　朱鸿钧　 (74)专利代理 机构 北京中建联合知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11004 专利代理师 李聚 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 111/10(2020.01) G06F 119/14(2020.01)G06F 119/02(2020.01) (54)发明名称 一种古木建 筑水平承载 稳定性的评估方法 (57)摘要 一种木构古建水平承载稳定性的评估 方法， 包括： 步骤一， 获取木构古建中各个木材构件的 力学性能参数； 步骤二， 构建无立柱几何缺陷的 木构古建三维实体几何模型； 步骤三， 测量木构 古建中每根立柱的实测倾斜值； 步骤四， 建立无 立柱几何缺陷的木构古建力学仿真分析模型； 步 骤五， 模拟木构古建因劣化损伤或/和外部荷载 作用产生的几何缺陷； 步骤六， 得到木构古建中 每根立柱的水平剪力值； 步骤七， 立柱施加水平 剪力值， 模拟木构古建的受力状态； 步骤八， 绘制 每根立柱的Vj‑Uj的关系曲线； 步骤九， 计算得木 构古建水平承载稳定性指标βv。 本发明解决了 传统的评估 方法难以操作， 没有量化指标和偏于 不安全的技 术问题。 权利要求书2页 说明书11页 附图3页 CN 115114703 A 2022.09.27 CN 115114703 A 1.一种木构古建水平承载 稳定性的评估方法， 其特 征在于， 包括 步骤如下： 步骤一， 对木构古建的立柱进行编号为1， 2， ……， n； 并获取木构古建中各个木材构件 的力学性能参数： 力学性能参数包括 实际弹性模量E、 实际密度ρ 、 剪切模量G、 泊松比μ、 顺纹 抗拉强度ft、 顺纹抗压强度fc、 顺纹抗剪强度fv、 抗弯强度fm和木材构件间摩擦系数λ； 其中， n为立柱的总根数； 步骤二， 采用现场勘查、 实测的方式， 获取木构古建中立柱、 梁枋和斗拱的截面尺寸及 长度尺寸， 构建无立柱几何缺陷的木构古建三维 实体几何模型； 步骤三， 利用高精度全站 仪进行现场测量， 得到木构古建中每根立柱的实测倾斜值Δj； 其中， j为第j立柱的编号， 为自然数， 且j≤n； 步骤四， 结合步骤一获得的木构古建中木材的力学参数和步骤二中构建的无立柱几何 缺陷的木构古建三维实体几何模 型， 利用A NSYS或者ABA QUS仿真分析软件， 建立无立柱几何 缺陷的木构古建力学仿真 分析模型； 步骤五， 模拟木构古建因劣化损伤或/和外部荷载作用产生的几何缺陷： 分别对步骤四 中的无立柱几何缺陷的木构古建力学仿真分析模型中每根立柱底部施加水平位移或对每 根立柱顶部施加水平力， 水平位移按每根立柱的实测倾斜值Δj进行施加； 初步得到力学仿 真分析模型中每根立柱的倾斜值Δj’， 并分别求出力学仿真分析模型中所有立柱的倾斜值 Δj’与实测倾 斜值Δj之比Δ1’/Δ1， Δ2’/Δ2，……， Δn’/Δn； 步骤六， 经计算满 足1.05≥{ Δ1’/Δ1， Δ2’/Δ2，……， Δn’/Δn}≥0.95的要求， 然后 进 行风洞试验： 根据木构古建所处区域， 获取木构古建承受重现周期为w年的风荷载， 并将该 风荷载施加至步骤五中已考虑立柱几何倾斜缺陷的木构古建力学仿 真分析模型中， 得到木 构古建中每根 立柱的水平剪力值Vj’； w取100～1000中的任意 一个数值； 步骤七， 在步骤五的基础上， 先对已考虑立柱几何倾斜缺陷的木构古建力学仿真分析 模型施加结构自重然后对每根立柱顶部施加步骤六中对应立柱的水平剪力值Vj’， 并且逐 渐增大每根 立柱的水平剪力值Vj’， 直到木构古建不能再承受更 大的荷载或发生倒塌； 步骤八， 根据对第j根立柱施加不同的水平剪力值Vj’， 提取第j根立柱在不同的水平剪 力值Vj’作用下柱顶相对柱底的水平变形值Uj， 并在V‑U直角坐标系中绘制第j根立柱的Vj‑ Uj的关系曲线； 其中， 水平变形值U作为横坐标， 水平剪力值V作为纵坐标； 步骤九， 根据步骤八得到的Vj‑Uj关系曲线， 设Kj点是对应Vj‑Uj关系曲线上坐标原点与 水平剪力峰值点Vjmax间的任意一点， 将 Vj‑Uj关系曲线的坐 标原点O与Kj的连接线、 Kj点至U轴 的垂线及 U轴围成的三角形的面积 定义为gj(u)， 将坐标原 点O至Kj点间的曲线、 Kj点至U轴的 垂线及U轴围成的曲边形面积定义 为rj(u)， 得出面积比θj＝gj(u)/rj(u)； 步骤十， 在Vj‑Uj曲线上选取水平剪力峰值点Vjmax对应的横坐标水平变形值为Ujm， 设点 {dj1， dj2，……， dji，……， djm}为Vj‑Uj曲线上的点， 并且这些点的横坐标为{1/m， 2/m， ……， i/m，……， m/m}×Ujm， m＞i； 计算得出点{dj1， dj2，……， dji，……， djm}的面积比为{θj1， θj2，……， θji，……， θjm}； 步骤十一， 若dj(i‑1)满足{ θji，……， θjm}均＜α， 且θj(i‑1)≥α； 将坐标原点O和dj(i‑1)点连线 并延长得到直线L1， 并过水平剪力峰值点Vjmax作纵坐标轴的垂线L2； 直线L1与垂线L2交于Qj 点， 过Qj点作横坐标轴的垂线L3， 垂线L3与Vj‑Uj关系曲线交于Fj点， 将Fj点作为该立柱的水 平承载稳定性能屈服 点； 其中， α ＝0.97， m≥10 0；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115114703 A 2步骤十二， 根据步骤八～步骤十一 的方法， 得到每根立柱Vj‑Uj关系曲线上水平承载力 屈服点Fj对应的水平变形值uj， 获取所有立柱中的最小水平变形值umin； 步骤十三， 根据每根立柱的Vj‑Uj关系曲线， 求得在最小水平变形值umin， 每根立柱所对 应的水平剪力值Vjm， 并求和得到Vsum； 步骤十四， 根据步骤六计算结果， 提取木构古建中每根立柱水平剪力值Vj’， 并求和得到 V'sum； 步骤十五， 根据 步骤十三、 步骤十四得到的Vsum和V'sum求得木构古建水平承载稳定性指 标βv： βv＝Vsum/V'sum； 步骤十六， 当βv≥3.0时， 该木构古建水平承载 稳定性能满足评估要求， 至此评估结束。 2.根据权利要求1所述的木构古建水平承载稳定性的评估方法， 其特征在于： 木构古建 的实际弹性模量E包括EL、 ER和ET； 木构古建的剪切模量G包括顺纹 ‑弦面剪切模量GLT、 顺纹‑ 径面剪切模量GLR和横切面剪切模量GRT； 木构古建的泊松比包括顺纹 ‑径面泊松比υLR、 横切 面泊松比υRT和顺纹‑弦面泊松比υLT； 其中， L表示木材顺纹方向， R表示木材截面径向， T表示 木材弦向。 3.根据权利要求2所述的木构古建水平承载稳定性的评估方法， 其特征在于： 木构古建 中木材顺纹方向实际弹性模量EL和木构古建的实际密度ρ 通过对木构古建进行原位检测得 到； 木构古建中木材截面径向实际弹性模量ER、 木材弦向实际弹性模量ET、 剪切模量G、 泊松 比υ和木材构件间摩擦系数 λ通过对木构古建木材 取样并进行 材料力学试验获得。 4.根据权利要求1所述的木构古建水平承载稳定性的评估方法， 其特征在于： 步骤四中 建立无立柱几何缺陷的木构古建力学仿 真分析模型的方法为： 先通过计算机数值仿 真分析 软件建立包含木构古建的立柱、 梁枋和斗拱 的三维实体数值离散分析模型； 再在三维实体 数值离散分析模型中相邻木构件的接触界面处设置接触单元， 模拟木构件间的摩擦力参 数； 分析方法采用Newto n‑Raphson非线性迭代方法求 解， 计入结构体系的几何非线性影响。 5.根据权利要求1所述的木构古建水平承载稳定性的评估方法， 其特征在于： 经初步计 算， 若不满足1.05≥{Δ1’/Δ1， Δ2’/Δ2，……， Δn’/Δn}≥0.95的要求， 对施加的水平位移 值或者施加的水平力进行增大， 再次计 算， 直到满足1.05≥{Δ1’/Δ1， Δ2’/Δ2，……， Δn’/ Δn}≥0.95的要求。 6.根据权利要求1所述的木构古建水平承载稳定性的评估方法， 其特征在于： 当建造时 期立柱设有侧脚长度Δ时， 在步骤二中根据木构古建的建造方式确定 建造时期立柱的侧脚 长度Δ； 立柱的侧脚长度Δ为柱长的1％； 步骤三， 利用高精度全站仪进行现场测量， 先得到木构古建立柱的实际倾斜值； 然后减 掉步骤二中得到的立柱侧脚长度Δ， 得到 木构古建中实际立柱几何倾 斜缺陷值Δj。 7.根据权利要求1所述的木构古建水平承载稳定性的评估方法， 其特征在于： 步骤七 中， 逐渐增大每根立柱的水平剪力值Vj’的具体方法为： 先取得木构 古建中所有立柱中最小 的水平剪力值Vjmin’， 将其余立柱承担的水平剪力值Vj’分别除以最小的水平剪力 值Vjmin’， 得出系数Kj； 每根立柱的水平剪力值Vj’均按Kj进行加倍施加。 8.根据权利要求1所述的木构古建水平承载稳定性的评估方法， 其特征在于： 当步骤十 五中计算的βv＜3.0， 对木构古建进行加固措施，