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开题报告书参考样式1 学号: 工程硕士论文开题报告高阻尼混凝土的研究及其在防震减灾中的应用Research and Application of High Damping Concrete in Disaster Prevention and Mitigation Engineering 张 文专业领域: 建筑与土木工程研究方向: 校内导师: 校外导师： 扬州大学建筑科学与工程学院2007年4月高阻尼混凝土的研究及其在防震减灾中的应用一 研究意义及国内外研究现状1 本课题的研究意义近二十年来，为使土木工程结构能够抵御强烈地震、风振以及其它外部激励而引起的结构破坏，各国学者进行了大量的研究，并在结构抗震、隔震、耗能、控制等领域取得了长足的进展。近年来，随着国际恐怖活动的加剧，尤其是美国“9.11”事件以后，有效提高结构物抗冲击能力的问题更是变得十分迫切。 由于地震、风振、爆炸冲击等外部激励均属于随机广谱外激励，因此，现有的以改变结构自振周期的抗震、减震手段对于这些广谱外激励的有效性受到制约。显然，结构的高阻尼化是未来结构抵御地震、爆炸等外部冲击的必由之路1。混凝土材料在土木工程相关学科中是一个历史悠久的传统领域，但近年来它的研究内容正在发生重大的转变。新型高性能阻尼材料的研究是当前功能材料领域的一个热点课题2，3，但其材料阻尼与材料强度的矛盾一直未能得到很好的解决。与此同时,普通混凝土的阻尼值一直偏低,严重制约着混凝土构筑物的动力学性能。高阻尼混凝土对建筑物的防震减灾，以及降低城市噪声污染和桥梁风振危害等方面有重要意义。另外，随着我国高新技术的发展，在航天航空、核技术工程和高精度机床设备安装等方面也需要有良好减振性能的混凝土基础和构件。因此，揭示混凝土材料能量耗散特性产生的内在机制，建立材料阻尼与结构阻尼之间的内在关系，根据工程实际需要，设计阻尼性能、强度和刚度相统一的高阻尼混凝土，以上诸多方面的研究工作，从理论和实践两方面都有重大的现实意义。2 本课题国内外研究现状混凝土是建筑结构中最常用的材料，强度较高，但阻尼系数较小，结构消耗能量是以混凝土发生塑性变形丧失部分结构功能为代价的。目前，世界各国学者对聚合物混凝土的研究十分关注47。我国在上个世纪80年代也开始了聚合物混凝土阻尼材料的研究8。直至目前，各国学者对普通混凝土阻尼比的研究较少，有关聚合物对混凝土的阻尼性能影响的研究也并不成熟，到目前为止这是尚未探明而需要深入研究的课题，不少学者对这个问题也做了很多的试验和理论研究。尚世英等在文献9中采用实验的方法，对不同混凝土强度等级的钢筋混凝土小型悬臂梁的阻尼比进行了测定，实验表明，钢筋混凝土试件材料的阻尼值与应力水平有关，应力增加，阻尼变大，而混凝土强度对阻尼比影响不大。郭文武等在文献10中分析总结了混凝土拌合物振动密实时阻尼的产生机理，阻尼主要来自三个方面：摩擦阻尼、流体的粘滞阻尼、压缩空气的阻尼。其中摩擦阻尼包括混凝土拌合物中颗粒的振动和下沉运动使颗粒间摩擦力做功构成摩擦耗能，以及在上述运动中颗粒和水泥浆体之间的摩擦力做功构成摩擦耗能；水泥浆体的阻尼又包括粘滞损耗和涡流损耗两部分。石建军等11对不同柱纵筋和箍筋配筋率的钢筋混凝土材料阻尼值进行了试验研究，实验采用自由振动衰减法。结果认为，纵筋配筋率的增加使试件抗弯刚度增大，导致阻尼比有所降低；而配箍率的变化对试件阻尼比的影响不大，这是由于配箍后主要是增加了截面的剪切刚度。李祝龙等在文献12中分析了聚合物乳液改性砂浆的阻尼机理，聚合物是一种具有长链状的高分子物质，其颗粒分散在水泥胶凝材料的连续相内，在砂浆中形成空间三维连续网状结构，穿梭在硬化浆体中的缺陷与微裂缝之间，形成富有弹性的“铰”结构，既分散了砂浆的应力集中，又增加了变形耗能能力，可克服缺陷或减缓微裂缝在脆性砂浆中的扩散。胡佳山等在文献13中提到了采用自行设计组装的测试系统，研究集料级配、橡胶和界面处理对环氧树脂混凝土（EPC）减振阻尼性能的影响。结果认为，在环氧树脂混凝土中，采用间断级配，可以明显提高材料的动弹模量和抗折强度；掺入橡胶，同时选用偶联剂可以提高材料的阻尼；在集料和树脂间引入具有良好粘结的弹性界面层，可以获得阻尼与动弹模量均较好的环氧树脂混凝土。柯国军等14对羧基丁苯胶水泥混凝土阻尼值进行了探索性研究，分析了不同的丁苯掺量对混凝土阻尼值的影响,试图获得一种有较高阻尼，同时又有较高弹性模量和抗压强度的混凝土。试验结果认为，丁苯掺量控制在一定的范围内可以获得综合指标较好的混凝土，即混凝土的阻尼比、弹性模量和轴心抗压强度等都能令人满意。同时，对丁苯胶乳提高混凝土阻尼值的机理分析认为，丁苯因化学吸附或物理作用，包裹在骨料颗粒和水泥凝胶的表面，将水泥水化产物交联起来，形成结构网。这不同程度地改变了粗骨料与水泥石之间的界面，使混凝土的阻尼值增大。在20世纪60年代，德国学者H.Schutz15和H.Tanner16研究了用作机床零部件的聚合物混凝土的静力和动力性能以及在机械设计中的运用，由于其阻尼性能优越，由其制成的机床能极大提高零件切割的表面光洁度。所以聚合物混凝土被用来部分代替钢和铸铁，主要用于机械工业。Sezan Orak17研究了掺入聚酯树脂的聚合物混凝土的振动阻尼性能，试验表明，聚合物混凝土的临界阻尼比是铸铁的47倍，但对聚合物提高混凝土阻尼性能的产生机理并没有阐述。W.G.Wong18等人通过试验研究聚合物改性水泥（混凝土）的振动阻尼性能，试验结果认为，聚灰比对表征阻尼性能的参量损耗因子影响较大，当聚灰比在15%20%的范围时，聚合物水泥（混凝土）表现出较好的阻尼能力。同时作者还强烈建议将聚合物水泥（混凝土）用于建筑结构或构件上抵抗动荷载，以获得最优的振动阻尼。L.Yan19,20等研究了聚烯烃纤维增强混凝土复合材料的阻尼机理，L.Yan和C.H.Jenkins等人认为，该复合材料的阻尼主要来自于两个方面：颗粒界面的相对位移以及由此引起的界面剥离和界面摩擦是最基本的能量耗散方式；在拉应力作用下，基体和纤维断面处微裂纹的开展和延伸也会产生能量消耗。文献20中指出，要在获得高阻尼的同时不降低纤维增强混凝土的其它力学性能，建议选用具有不同几何特征的增强纤维。从上述文献可以看出，对聚合物混凝土阻尼机理的研究主要是从宏观的角度出发，所以对能量耗散的内在机制研究并不深入和完善。而且人们通过实践发现，聚合物混凝土阻尼的增加一般会导致结构在强度和刚度性能上的退化和降低，这对于致力于将聚合物混凝土用作结构材料显然是不希望看到的结果。对于结构型材料，阻尼优化必须从结构全局性能要求出发，在确保获得所期望的阻尼性能的同时，不能以牺牲材料的刚度和强度性能为代价，即需将阻尼、强度、刚度等宏观性能同时作为设计目标。而这一直是尚未能有效解决的问题。二 本课题研究内容及拟解决关键问题1 本课题研究内容本课题的研究内容包括聚合物混凝土阻尼机理的研究、高阻尼混凝土的研制以及高阻尼混凝土在结构高阻尼化中的应用，现分述如下：在进一步深入研究普通混凝土阻尼机理的基础上，分析和探讨聚合物混凝土的变形阻尼机理及能量转换机理。聚合物混凝土的阻尼机理与普通混凝土的阻尼机理具有较大差异。普通混凝土的阻尼来自于混凝土的初始缺陷（如微孔、裂纹、夹杂）以及动力变形过程中微裂纹的扩展和界面的内摩擦。由于普通混凝土属于脆性材料，变形能力小，在冲击荷载作用下，吸收能量很少，故阻尼性能差；聚合物混凝土由于高分子聚合物的作用，大幅度提高了混凝土的变形能力，因而其能够在动荷载下吸收较多的能量，故而表现出比普通混凝土更优越的阻尼性能。聚合物混凝土低弹模、大变形、粘弹特征明显等特点，符合阻尼材料的一般特征，但聚合物混凝土又不同于一般的高分子材料，由于其中含有无机的砂、石等填料，其阻尼机理也不同于普通的高分子材料。因此，聚合物混凝土的各组份是研究其阻尼机理的重要切入点。本课题在研究聚合物混凝土阻尼机理和能量转换机理的基础上，通过选择合适的聚合物、添加剂、纤维增强材料和合理的配合比，探索提高聚合物混凝土的阻尼性能和强度的方法，研制新型高阻尼混凝土材料。新型高阻尼混凝土应具有低弹模、高阻尼、大变形的特征，同时具有足够的强度，从而使这种具有优良阻尼性能的新型材料用作结构材料成为可能。在研制高阻尼混凝土材料的基础上研究材料阻尼与结构阻尼的内在规律，探索高阻尼混凝土在结构抗震减灾方面的应用方式。鉴于目前聚合物混凝土成本较高，在一定程度上制约了该技术的推广与应用。在本课题的研究中，提出了结构局部高阻尼化的概念，拟对局部高阻尼化结构体系进行一些初步的探索。2 本课题关键问题本课题的关键问题是解决材料的强度、阻尼及成本三者之间的关系。目前存在的问题是强度高的结构材料阻尼值小，变形能力小，而阻尼高的材料强度低，没有足够的承载能力，因而不能作为结构材料使用。此外，高阻尼混凝土大量使用高分子材料，其成本要高于普通混凝土。如果高阻尼混凝土在工程中大量使用，势必会增加工程造价，因而必须解决高阻尼混凝土在结构设计时的合理使用方式。三 本课题研究方法和技术路线本课题的主要研究模块为：（1）聚合物混凝土阻尼机理研究：该研究内容首先是建立试验装置，测定聚合物混凝土的力学参数，包括弹性模量、强度、阻尼比等。阻尼比测试采用T型模型，试验装置如图1所示。继而通过变焦成像系统、电镜扫描等手段对聚合图1 T型试件锤击振动试验装置物混凝土形态结构进行细观和微观的观察和分析，探讨高分子材料、添加剂以及填料在聚合物混凝土中对其阻尼性能的影响，从而提出力学模型，根据力学模型分析弹性模量、强度、阻尼值和组份比例等各种因素之间的关系。阻尼理论研究是长期以来国内外所关注的一个研究课题，近年来，随着智能材料、智能结构、结构健康诊断等研究热点的兴起，不少学者对此课题十分感兴趣，提出了各种阻尼理论，并取得了一定的进展。对于此研究模块，目前国内外在该方面的研究虽然已有一定的基础，但在细观层面上对聚合物混凝土的阻尼机理进行深入研究，建立其细观构造与宏观阻尼参数之间的联系方面，尚很少有学者问津。电镜扫描是了解材料细观构造的有效手段，本课题欲借助这种手段，分析材料受力变形机理，由细观到宏观，探索聚合物混凝土的细观构造与其宏观阻尼性能的关系。（2）高阻尼混凝土的研制：在研究聚合物混凝土阻尼机理和能量耗散转换机理的基础上，研究增强类填料（包括砂、石、纤维等）和阻尼类填料（包括胶乳、石墨、强磁等）的添加种类和合理掺量。通过胶乳、添加剂、填料等配比的改变，反复试验，调整高阻尼混凝土的玻璃态转换温度，探索新型的能量消耗转换方式，如动能热能、动能电磁能等，提高材料的阻尼性能。但在混凝土中加入过多的柔性聚合物材料，其强度会迅速降低。针对本课题的这一关键问题，解决方案是拟采取根据结构要求，对混凝土进行材料功能定向设计的新思路。在实际工程中，对混凝土的强度要求并不都是各向同性的，根据构件或结构功能要求的不同，混凝土各向可具有不同的强度，比如柱主要是纵向受压，该方向的抗压强度要求比较高，但横向强度要求并不高。根据结构要求对混凝土进行材料功能定向设计，这类技术在结构工程学科中已被成功应用，如叠层橡胶隔震支座、钢管混凝土、预应力技术等，对提高材料的强度有充分的理论依据。该研究内容目前在国内外属于开创性的工作，如何将结构工程领域中的研究成果成功地移植到材料设计中来，可以直接借鉴的经验不多。但国内外近期在相关学科的一些领先科研成果仍具有重要的参考价值，如高分子聚合物阻尼材料、复合金属阻尼材料、巨磁材料以及纤维增强技术等方面的研究成果。（3）高阻尼混凝土在结构高阻尼化中的应用：高阻尼混凝土具有极其广泛的应用前景，本研究模块着重于具有承载与高阻尼双重功能的结构阻尼元件的开发应用以及结构局部高阻尼化的设计理论与方法研究。图2 课题开展流程图四 本课题的特色与创新之处(1) 在聚合物混凝土的基础上，通过对能量转换机理和阻尼机理的研究，调整聚合物的掺量和添加剂的种类，研制具有高弹性、高阻尼性同时又能保持相当的定向功能强度的新型功能混凝土材料。(2) 将结构设计中的叠层约束，管状约束以及预应力技术，移植到阻尼混凝土材料研制中，根据结构使用要求，对混凝土进行材料功能定向设计，有望解决聚合物混凝土研制中长期未能得到有效解决的强度与阻尼性能之间矛盾的关键难题。(3) 提出了结构局部高阻尼化的概念，将高阻尼混凝土局部使用于工程结构，改善整体结构的动力学性能，降低高阻尼混凝土在结构工程中的使用成本。(4) 高阻尼混凝土可以用于制作各类隔震、减振元件，尤其是制作具有承载和高阻尼双重功能的结构阻尼元件，其特点是低频减振效果远高于金属类隔振元件。五 进度安排及预期成果1 进度安排（1） 2003年11月2004年2月 资料检索，调研，试验方案制定。（2） 2004年3月6月 聚合物混凝土试验，对试件的细观构造进行观察分析研究。（3） 2004年7月 测定聚合物混凝土的力学性能参数，建立力学模型。（4） 2004年8月2004年9月 分析聚合物、添加剂、填料等组份以及材料内摩擦产生阻尼的机理。（5） 2004年10月11月 测定高阻尼混凝土的阻尼性能，获得制备高阻尼混凝土的最佳配合比和相关生产条件。（6） 2004年12月 试制结构阻尼元件，通过模型试验，以及力学分析、有限元分析，完成材料阻尼与结构整体阻尼之间关系的研究。（7） 2005年1月2月 试验、理论研究成果整理，完成论文初稿。（8） 2005年3月4月 论文修改并定稿。 （9） 2005年5月 论文送审，答辩准备。（10） 2005年6月 论文答辩。2 预期成果从细观和微观的角度，完成对聚合物混凝土材料阻尼机理的研究，寻找到制备高阻尼混凝土的合理途径，解决优化聚合物混凝土阻尼性能的同时，难以兼顾高强度、高刚度性能的问题，为结构的高阻尼化提供理论支持和实践支持。六. 参考文献1 刘平，万泽青. 结构高阻尼化发展策略A. 第三届中-日-美结构健康监测与控制学术研讨会暨第四届中国结构控制年会，大连，2004.2 张照宇，吴芳. 聚合物水泥高性能混凝土的研究J. 苏州城建环保学院学报，1998，11（4）：10-14.3 杨志强，王东. 聚合物对混凝土结构和性能影响的研究J. 混凝土与水泥制品，1995，（1）：1113.4 李湘洲. 国内外聚合物混凝土现状与趋势J. 硅酸盐建筑制品，1996，（1）：4245.5 Ioana C.Finegan, Ronald F.Gibson. Recent Research on Enhancement of Damping in Polymer CompositesJ. Composite Structures, 44(1999), pp89-98.6 D.W.Fowler. Polymers in Concrete: A Vision for the 21st CenturyJ. Cement & Concrete Composites, 21(1999), pp449-452.7 Joshua B.Kardon. Polymer-Modified Concrete: ReviewJ. Journal of Materials in Civil Engineering, May (1997), pp85-92.8 Sun Lianggui,et al., An Application of Polymer Concrete in Double Resilient Mounting System of Diesel EngineeringA. 6thICPIC(1990), Shanghai, pp677-704.9 尚世英，董至仁. 钢筋混凝土构件阻尼值实验研究J. 工程抗震，1993，（4）：18-19.10 郭文武，刑海军，舒建平. 混凝土拌合物阻尼的试验研究J. 石家庄铁道学院学报，1999，12（2）：56-58.11 石建军，胡绍全，柯国军 等. 钢筋混凝土材料阻尼值的实验研究J. 四川建筑科学研究，2003，29（3）：14-15.12 申爱琴，李祝龙 等. 聚合物乳液改性水泥砂浆J. 公路，2000，（7）：41-44.13 胡佳山，李仕群，宋方臻 等. 环氧树脂混凝土阻尼性能的研究J. 中国建材科技，1994，3（1）：8-11.14 柯国军，胡绍全，郭长青 等. 羧基丁苯胶水泥混凝土阻尼值的探索性研究J. 四川建筑科学研究，2003，29（4）：60-63.15 H.Schutz. Statical and Dynamical Behavior of Machine Tool Frames Made of Polymer ConcreteA.4th ICPIC (1972), pp121-128.16 H.Tanner. Application of Polymer Concrete in the Machine DesignA. 4thICPIC(1972), pp139-144.17 Sezan Orak. Investigation of Vibration Damping on Polymer Concrete with Polyster ResinJ. Cement and Concrete research, 30(2000), pp171-174.18 W.G.Wong, Ping Fang, J.K.Pan. Polymer Effects on the Vibration Damping Behavior of CementJ. Journal of Materials in Civil Engineering. ASCE (2003), pp554-556.19 L.Yan, C.H.Jenkins, R.L.Pendleton. Polyolefin Fiber-Reinforced Concrete Composites Part I: Damping and Frequency CharacteristicsJ. Cement & Concrete Research, 30(2000), pp391-401.20 L.Yan, C.H.Jenkins, R.L.Pendleton. Polyolefin Fiber-Reinforced Concrete Composites Part II: Damping and Interface DebondingJ. Cement & Concrete Research, 30(2000), pp403-410.21 V.R.Buravalla, C.Remillat, J.A.Rongong. Advances in Damping Materials and TechnologyJ. Smart Materials Bulletin, August (2001). 22 阻尼材料 阻尼性能测试方法(GB/T182582000)S.2001.23 汪佳佳. 苯丙乳液聚合物混凝土配合比试验与应用J. 浙江水利科技，1999（增刊）.24 契尔金斯基. 聚合物水泥混凝土M. 北京：中国建筑工业出版社，1987.25 买淑芳. 混凝土聚合物复合材料及其应用M. 北京：科学技术文献出版社，1996.26 钟世云，袁华. 聚合物在混凝土中的应用M. 北京：化学化工出版社，2003.27 谭娜，李赫亮，李智超. 增强材料对聚合物混凝土性能的影响J. 混凝土，2002，（2）：3132.28 任勇生，刘立厚. 纤维增强复合材料结构阻尼研究进展J. 力学与实践，2004，20（1）：9-16.29 柯国军，郭长青，胡绍全 等. 轻骨料混凝土阻尼比的研究J. 混凝土，2002，10：34-37.30 张应力 主编. 现代混凝土配合比设计手册M. 人民交通出版社，2002.31 雍本. 特种混凝土配合比手册M. 四川科学技术出版社，2003.32 胡晓军. 钢纤维聚合物混凝土做机床基础件的性能研究D. 辽宁工程技术大学硕士学位论文，2002.33 刘延柱，陈文良，陈力群. 振动力学M. 高等教育出版社，1998.开题报告书参考样式2 学号: 工程硕士论文开题报告虎丘塔倾斜控制技术的研究Research and Application of High Damping Concrete in Disaster Prevention and Mitigation Engineering 李 武专业领域: 建筑与土木工程研究方向: 校内导师: 校外导师： 扬州大学建筑科学与工程学院2007年4月虎丘塔倾斜控制技术的研究一、研究现状与研究目的我国的古塔融合了外来文化与中华传统建筑艺术的精华，是我国古代高层建筑的杰出代表，而砖石古塔在我国古塔中历史最为悠久，体型最为高大，保存数量最多6。古塔作为现存不多的古建筑,不仅对于研究我国古代建筑技术的发展具有极其重要的意义,而且对于研究我国古老的历史、文化、艺术、宗教、政治、外交及经济等均具有无法替代的价值。造型优美、各具特色的古塔,还是先辈们遗留给子孙“不可多得,失而不复”的宝贵人文资源,是发展旅游事业,进行爱国主义教育的优秀文化遗产。由于古代建筑技术的限制及几千年沧桑岁月的破坏，目前我国现存的砖石古塔，大多数存在不同程度的倾斜，个别则由于过度倾斜而已经倒塌如杭州西湖畔的雷峰塔等。然而，砖石古塔维修加固并不同于一般意义上的简单维修，古塔维修应遵循风貌、结构、材质等方面保留其历史的可读性，要修旧如旧，而不能修旧如新。另外，维修具有可逆性，通过维修，还应保证相当的耐久性，比如满足古塔建筑维修周期100年或更长时间的要求。显然，要同时满足这些要求，古塔的维修常常比新建或修旧如新更加困难。因此，如何对砖石古塔之类的高耸古建筑实施纠偏加固是一个具有现实意义的课题。随着古建筑保护事业的发展及弘扬地方文化的渴望,近年来维护古塔的浪潮遍及世界各地。如何使那些虽遭破坏,但尚有可能加固、复原的古塔长久地保存下去, 国内外的学者专家们在这方面进行了努力的探索和实践，无论在理论上和工程技术上,皆取得了一定的研究成果，有了许多成功的经验。总结起来方法有多种如抢险加固,重点修缮,局部复原以及新材料、新技术的应用等。文献1介绍了陕西省文物局对陕西眉县静光寺塔实施工程纠偏。考虑塔体自身状况，决定采用“成孔软化”的技术方案。其基本思路是：先在塔南侧塔下钻一排孔，再注水以软化孔间土，迫使塔南侧不均匀下沉以促使塔回倾。纠偏的成功实施使塔回倾达70。文献20介绍了兰州白塔的纠偏加固情况。甘肃文物管理部门针对白塔倾斜和塔体损坏严重的情况，采取了结构加强、基础托换和掏土加压的组合纠偏法即对白塔纠偏时，分别采用结构围箍加固、钢筏托换基础、掏土加压纠偏和压力灌浆稳定基础，并辅以严密的保护措施和精确的观测手段，最终取得了比较满意的效果。文献31介绍了广州六榕塔纠偏加固及维修施工技术。六榕塔的补强加固采用新工艺、新材料进行了塔体的加固维修。对塔身超厚墙体进行了灌浆加固，外部墙体采用碳纤维加固，从根本上改变目前的受力状况，排除结构安全隐患，又保持其原有面貌，符合古建筑“修旧复旧”的文物维修原则。文献21、35介绍了世界历史文化遗产著名的意大利比萨斜塔的纠偏加固。意大利政府于1990年成立了拯救比萨斜塔国际委员会，1992年初，国际委员会决定在沉降较小的北侧开始应用堆载促沉法。堆载为铅锭，分期分批地进行增加。使得斜塔800年来第一次开始回倾。此后，在塔北侧地基下进行了钻孔取土的试验，在试验成功的基础上，开始正式钻孔24小时连续取土，并严密监视斜塔动向。至2000年6月斜塔已回复到130年一样，如一切顺利，斜塔在今后几个世纪不会出现什么问题。苏州虎丘塔是目前我国现存宋塔中年代最早的建筑实物,以其规模宏大和结构精巧而闻名于世。现在,这座千年古塔已成为古城苏州的标志性建筑。无论其历史地位、考古价值还是观赏性在我国建筑史上都具有举足轻重的地位。虎丘塔倾斜纠偏加固工程的实施成功对中国古塔保护提供了成功的典范，乃至对我国的古今建筑的维护、加固和修缮都具有重要的参考价值。随着社会文明的进步，人类对历史文化遗产的潜在价值有了新的认识，古建筑的加固和保护研究已成为文物保护的一项重要工作。现代科学技术的发展，也将使古建筑的加固保护从经验阶段转入科学阶段。本论文对这个依据专家结合经验完成的加固工程，用现代的理论分析方法和计算机模拟来验证其合理性，全面总结虎丘塔加固的设计经验和施工技术，获取其成功的规律，提高我国在古建筑加固和保护方面的技术水平，为今后同类古建筑的纠偏加固提供借鉴。二、虎丘塔的纠偏加固及相关研究苏州云岩寺塔是一座七层八角形楼阁式砖塔，屹立在古城苏州的虎丘山巅，俗名虎丘塔。虎丘塔建于公元959年（五代后周显德六年）至公元961年（北宋建隆二年），是八角形楼阁式砖塔中现存最早、规模宏大而结构精巧的实物10。属于国务院第一批重点文物保护单位。 据考证，虎丘塔自建造时，塔基即产生不均匀沉降并导致塔身向北倾斜。历史上虎丘塔曾七次遭受兵火等破坏，多次维修，但对塔基的不均匀沉降和塔身倾斜的发展未予解决。新中国成立后，于1956年至1957年对虎丘塔进行了大修，未能取得持久稳定。1981年至1986年，中国国家文物局和苏州市政府组织力量，再次对这座千年古塔进行了全面加固。本次加固工程设计合理，施工稳定，效果显著，基本控制了塔基沉降，稳定了塔身倾斜。多年来，虎丘塔作为国家重点保护文物，国内许多专家、学者和科研院所为塔的纠偏加固付出了辛勤的劳动，并已取得了许多显著的成果。陶逸钟在文献10中介绍了作者在主持1981年1986年虎丘塔的加固修缮任务，详细叙述了整个加固技术和施工过程。按照文物维修原则和取得的科学数据，从实际出发，集思广益，对虎丘塔的加固方案确定为：“围”、“灌”、“盖”、“换”四项工程。工程的成功实施基本解决了虎丘塔的不均匀沉降，加固和修缮工程取得了预期的效果。袁铭等在文献1114中将近二十年来对虎丘塔的监测资料进行了数据处理和分析。对大量变形观测数据进行了拟合计算，滤去误差，分离出变形信息，根据塔体变形具有趋势性和周期性的特点，采用线性和三角函数模型对塔的倾斜过程进行模拟，对塔的沉降变形进行预测，肯定了第二次古塔的维修加固工程是成功的。影响虎丘塔倾斜的主要因素之一的塔基问题已基本解决。袁建力等在2002年5月申请了江苏省科技计划项目虎丘塔纠偏加固与监控技术研究。该项目以虎丘塔为研究对象，研制砖石古塔纠偏加固与监控技术，采用现代测试技术与数字模拟技术，建立虎丘塔的可靠性分析模型，探讨虎丘塔保护技术的基本原理，归纳虎丘塔加固方法的工程经验，提出了砖石类古塔鉴定方法。至今，已经取得了可喜的成果，并已有多篇相关论文发表。姚玲在其学位论文6中结合科技部中国意大利合作项目古建筑动力特性建模技术的研究，以虎丘塔为研究对象，采用ANSYS软件建立了全三维结构分析模型，并进行了结构环境激励的脉动试验，研究了动力特性联合建模技术的可行性为虎丘塔结构的损伤探测、抗震鉴定、加固和改造提供了依据。三、论文主要内容及实现方法1、虎丘塔资料收集1）地基与基础原始及加固资料资料收集包括原始建造记录、地基基础分析报告、加固施工记录。苏州云岩寺塔维修加固竣工报告书和加固过程图纸及其说明等。根据论文写作的内容，关于云岩寺塔工程地基勘察情况、塔周围地质分析图、塔基下地质分析示意图以及塔基基础剖面图等。2）虎丘塔变形观测数据资料虎丘塔的沉降倾斜变形的观测数据和变形观测记录的收集、补充也作为资料收集的一项内容。2、用通用有限元软件模拟分析1）理论方法有限单元法是于五十年代中期提出来的就是把连续介质离散成一组单元，使无限自由度问题转化为有限自由度问题，再用计算机求解。这一方法可以用来分析十分复杂的结构，因此一出现就受到人们的普遍重视，很快就发展为一个十分重要的工程计算方法。有限单元法具有以下优点：可以分析形状十分复杂的、非均质的各种实际工程结构；可以在计算中模拟各种复杂的材料本构关系、荷载和条件，例如可以模拟岩体中的渗流和初试地应力场、混凝土的不均匀温度场等，这些因素在物理模型中往往是难以模拟的；可以进行结构的动力分析；由干前处理和后处理技术的发展，可以进行大量方案的比较分析，并且可以用用图形表示汁算结果，从而有利于对工程方案进行优化。由于具有上述优点，有限单元法在工程设计和研究中得到了广泛的应用。2）计算机模拟分析随着计算机技术的飞速发展，现在出现了一系列国际著名的大型通用有限元软件，像SAP、ANSYS、MARC、ASKA、ADINA、NASTRAN等。通过实体建模及网格划分，然后利用有限元方法求得建筑物的应力应变等，在这些软件中尤以ANSYS最为直观和便捷。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析与一体的大型通用有限元分析软件。它能够与多数的CAD软件接口，实现数据的共享与交换，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，I-DEAS，AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。同时，ANSYS还是一个综合的多物理场耦合分析软件，用户不但可进行结构的单独研究，还可以进行多种分析模型的相互影响研究。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。正因为计算机技术的发展，时的有限元方法已在古塔保护研究中得到了广泛的应用，如扬州文峰塔的抗震性能分析34，意大利比萨斜塔的地基稳定分析35等。目前对虎丘塔多年沉降变形过程的研究，相对于现代多、高层建筑而言，在古建筑方面还是很少的。不过随着社会文明的进步和现代科技的发展，随着旅游景点的不断增多，为了保护历史文化建筑也为了作为一种旅游资源加以利用，这将成为当前颇受欢迎与重视的学科。本论文是在前人研究的基础上，重点对虎丘塔在加固前、加固施工过程中和加固后的地基与基础变形和应力变化情况以及塔体在不均匀沉降状态下的结构分析，利用ANSYS软件进行计算机建模、分析，从理论上力求找到一种比较真实的模拟各工况下的古塔应力及应变过程，分析地基与基础沉降变形情况，为古建筑的地基纠偏加固方案及施工技术提供理论上的依据，提出适用于同类砖石古塔的保护技术和措施。建模方法的过程如图1所示。图1 计算机建模并模拟分析流程图3、建立沉降和倾斜变形观测数据库分析系统虎丘塔自建立监测系统至今已经进行了100多周期的观测，取得了大量珍贵的数据。在对塔变形监测过程中,从仪器、观测人员、观测环境等方面,都不可避免会产生各种误差(干扰)，误差主要来自温度、雨量等环境因素的影响。观测的项目种类及观测点数也比较多，数据量庞大。为了避免把测量误差作为真正的变形信息,必须从含有误差的观测值中滤去误差,分离出真正的变形信息。由于塔体的实际变形很小,这给减弱和消除干扰误差的研究带来一定困难。因此，对这些繁杂的数据进行处理和管理，并用于分析和决策，是非常必要的，为此应建立一套高效方便的变形观测管理信息系统。1）建立变形监测数据库。这是变形观测管理信息系统的基础。数据库的结构设计考虑虎丘塔变形监测数据周期多、时间长的特点，所设计的数据库维护功能应具备动态增加、删除、修改、排序、查询等功能。2）由数据库系统得到的数据进行处理和分析。建立粗差筛选、减弱干扰因素影响、数据平差、精度计算、平滑处理、回归分析、趋势预测、异常信息提取等数学模型，选用实用性强、符合虎丘塔变形特点。3）根据数据处理结果输出变形监测的常用图件和表格。为更加直观的反映虎丘塔的实际沉降倾斜情况，系统能够绘制出点位沉降观测曲线、点位水平位移曲线、点位分布图、监测网等值线结果、形变趋势预测图、超警戒线的异常点结果等，所有这些图件绘制所用的数据应可以自动提取成图。Visual Basic语言简单易学，其中的数据类型，数据运算、程序控制结构等基本概念与其他任何语言都是一致的，而语法相对简单，容易掌握。同时Visual Basic是一种可视化的、具有面向过程和面向对象这两类程序设计方法的特点，在VB集成开发环境中，用户可设计界面、编写代码、调试程序，把应用程序编译成可执行文件，直至把应用程序制作成安装盘，以便能够在脱离VB系统的Windows环境中运行，为用户提供了友好的界面。具有广泛的用途，可有效地进行数据库、多媒体及网络的程序设计。本论文利用Visual Basic6.0与Access数据库结合，并充分利用MATLAB强大的数学计算功能，将从1986年至2002年16年间对虎丘塔东、西立面和塔基的沉降、倾斜变形数据整理研制虎丘塔变形观测管理系统，使其具备可以绘制出观测点年际间和多年沉降量变形图、拟合沉降变化量、分析沉降倾斜变化、回归分析和观测网等值线绘制等功能。系统的主要功能如图2所示。图2 虎丘塔变形观测系统功能示意图将有限元软件ANSYS分析得出的塔基、墙体和楼层的结构沉降倾斜变形的理论值结合观测数据和计算机计算程序计算出的实际变形量和变形趋势进行比较，使得古塔的分析模型和相应的计算结果最大程度的吻合，确保分析模型和沉降变形曲线拟合的合理性。进而，我们可以利用观测系统的预测功能对虎丘塔未来的沉降情况进行较科学准确的预测，同时，我们全面可以系统地总结加固技术和施工技术（施工先后顺序、快慢等）的合理性，吸收其成功的经验。具体开展步骤如下图3。 图3 比较分析结果流程图四、课题创新点1. 目前，用有限元方法建立三维实体模型，分析古建筑的应力态及沉降变形情况在国内还很少。而且，同以往利用计算机模拟分析结构某一阶段、单独的模型不同，本论文应用有限元分析软件ANSYS对虎丘塔较长时期内地基与基础的应力应变情况以及塔体在不均匀沉降状态下的结构进行细致的模拟分析，找寻沉降倾斜变形的特点和规律，总结施工加固技术，吸收成功的经验，为今后其他古建筑加固提供借鉴。2. 充分利用Visual Basic语言可视化的特性，采用面向对象编程的方法，编写沉降变形观测系统。程序完全按照软件域约定的命名编写，最大程度地提高了程序的可读性。良好的操作界面，充分融入目前多种可视化技术，如可以调用Microsoft Access数据库绘制沉降