明代砖砌无梁殿——开元寺无...殿的动力特性及抗震性能研究_马宇坤.pdf
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1、第 卷第期 年月地震工程学报 ,收稿日期:基金项目:国家自然科学基金面上项目()第一作者简介:马宇坤(),男,硕士研究生,研究方向为中国古代砖石结构。:。通信作者:淳庆(),男,教授,博士生导师,研究方向为历史建筑保护。:。马宇坤,淳庆,吴远德 明代砖砌无梁殿 开元寺无梁殿的动力特性及抗震性能研究 地震工程学报,():,():明代砖砌无梁殿 开元寺无梁殿的动力特性及抗震性能研究马宇坤,淳庆,吴远德(东南大学建筑学院,江苏 南京 )摘要:为研究我国明代砖砌无梁殿在地震作用下的受力性能和薄弱环节,选取苏州开元寺无梁殿这一典型的明代砖砌无梁殿为研究对象,建立其 三维模型,并导入 生成有限元模型,通过
2、有限元分析计算得到该无梁殿的固有频率、模态振型,以及地震作用下的位移和应力响应。结果表明:开元寺无梁殿的结构布置对称性较高,抗扭刚度较大;竖向地震对结构的影响不大,水平地震中影响最大的为进深方向的地震作用;从应力角度来看,对砖砌无梁殿采用反应谱分析是偏安全的,从位移角度来看,对砖砌无梁殿采用时程分析是偏安全的;开元寺无梁殿在地震作用下容易产生破坏的位置为上下两层门窗拱券的脚部和顶部、上下两层面阔向拱券的脚部和顶部、上下两层进深向拱券的脚部和顶部、山墙端部,以及屋顶中部和端部等。关键词:开元寺;无梁殿;有限元;抗震性能;抗震加固中图分类号:文献标志码:文章编号:():,(,):,:;引言明代砖砌
3、无梁殿是我国砖石砌体建筑的瑰宝,是中国特有的建筑遗产类型。它无梁无柱,为拱券式,全部以砖、石等砌块为材料,用砂浆砌筑而起。砖石砌体结构有很多优越性:材料来源广泛;结构的保温隔热性能十分优越,冬暖夏凉;结构的防火、抗震功能也十分优异,因此在我国漫长的历史中被广泛应用。但这些无梁殿古建筑大多因为年代久远存在不同程度的病害残损,一旦遭遇自然灾害损毁则无法弥补。文化遗产的抢救性保护固然重要,但自然灾害给文物建筑带来的破坏是不可逆的,因此文物建筑的保护需要由抢救性保护向预防性保护转变,这样才能最大限度地减少文化财产的损失。在国内,钱澄宇探究了江苏五座无梁殿的建筑形式;赵守江等针对我国古代城门砖拱券承载能
4、力评估的问题,以故宫西华门的砖拱券为例,建立平面有限元模型进行非线性分析,研究附加荷载下拱券的内力与变形情况,评估拱券的安全性能,并与弹性中心法进行分析对比,验证了两种方法的实用性和有效性;常青研究了元明中国砖石拱顶建筑的嬗变;淳庆等采用 有限元软件建模,并对太原永祚寺无梁殿受力性能进行模拟分析,获得了该建筑在静力荷载作用下的结构性能。在国外,等提出了地震设计的等效线性 系 统 方 法 中 等 效 周 期 和 等 效 阻 尼 比 的 关 系;等评价了应用于直接位移设计的非线性系统响应等效线性化的概念;等采用试验方法对封闭砌体墙的抗震性能和可修复性建立了基于漂移的脆性曲线;通过有限元软件对安塔利
5、亚个历史砖石结构进行了地震时程分析,对其位移和应力结果进行了研究讨论;等借助有限元方法提出了预测古代砖石教堂主频率的简化计算公式。综上所述,国内外学者对砌体结构历史建筑的营造技术和结构性能做了大量分析,但在明代砖砌无梁殿的研究方面,当前主要针对其形制构造和历史艺术,对其抗震性能的研究却鲜有报道。本文将以明代砖砌无梁殿的典型代表 苏州开元寺无梁殿为例,对其抗震性能进行系统、深入的研究。本文将基于建筑形制分析建立 有限元模型,并对其进行有限元数值模拟计算,分析其在多遇地震、设防地震、罕遇地震下的抗震性能,发现结构在水平地震荷载作用下容易发生破坏的位置并给出加固建议。动力特性分析为了解开元寺无梁殿的
6、抗震性能,需先对其动力特性进行分析,获得其固有频率和模态振型,为后续抗震性能分析提供依据。材性分析与荷载取值对开元寺无梁殿进行动力特性计算,首先需要对其材料参数进行确定,但由于开元寺无梁殿是古建筑文化遗产,不可对其进行取样或者有损检测,因此采用回弹仪对其进行无损检测,确定其砌体材料参数。砌体材料主要包括青砖和砌筑砂浆,二者的抗压强度检测均采用回弹法,现场抽取片墙体,参照 砌体工 程 现 场 检 测技 术标准(),初步判定砖的强度等级为 ,砂浆的抗压强度平均值为 。通过 砌体结构设计规范()中的公式()()可计算得到砌体的相关强度:(.)(),()第 卷 第期马宇坤,等:明代砖砌无梁殿 开元寺无
7、梁殿的动力特性及抗震性能研究,()式中:表示砌体的抗压强度平均值();,表示砌体的抗拉强度平均值();,表示砌体的抗剪强度平均值();表示砖块抗压强度平均值();表示砂浆抗压强度平均值();是与砖块高度和砌体类别有关的参数;、均是系数。通过计算,该建筑砌体的抗压强度平均值为 ,抗拉强度平均值为 ,抗剪强度平均值为 。弹性模量参考 砌体结构设计规范()计算后按保守情况取 ,砖砌体密度参考文献 取 ,泊松比为。本研究参考文献 将开元寺无梁殿考虑为均质化进行分析。开元寺无梁殿屋顶活荷载查询 建筑结构荷载规范()后取 ,二层楼面活荷载取,恒荷载均取自砖石砌体结构自重,建筑底部与地面考虑为固定约束。采用
8、商业有限元软件 ()建立实体模型,并划分单元,模型通过网格划分后得到 个 单元,共 个节点。计算时采用线弹性分析方法,对结构做适当简化且不考虑其原有的缺陷。开元寺无梁殿的有限元模型如图所示。图开元寺无梁殿的有限元模型网格划分图 动力特性分析结构的动力特性是指结构在自由振动情况下的周期(或频率)和振型,它是进行结构动力分析和抗震分析的基础,通过模态分析得到开元寺无梁殿的自振周期、频率和振型(表、图)。表开元寺无梁殿的自振周期和频率 振型 自振周期 自振频率 由表和图可知,开元寺无梁殿结构的振型和振型均为水平平动,振动方向为水平正交,而振型为扭转振动。通过计算 ,可以得出开元寺无梁殿的结构布置对称
9、性高,抗扭刚度较大,能满足规范要求。由图可知,由于砌体墙较厚,其刚度较大;随着高度的增加,无梁殿所受地震的影响也更大,因此地震作用对开元寺无梁殿的振动影响程度从上到下依次减少。抗震分析与加固建议开元寺无梁殿位于江苏省苏州市姑苏区,查询 建筑抗震设计规范()可知当地抗震设防烈度为度,场地类别为类,分组为第一组,设计基本地震加速度为,阻尼比取。由于该建筑是全国重点文物保护单位,考虑到其文物价值以及损坏后的不可恢复性,现将该建筑定义为甲类建筑,将其抗震设防烈度提高为度来进行抗震分析。除了进行多遇地震、设防地震和罕遇地震作用下的地震反应谱分析外,还需要附加分析其地震时程响应。振型分解反应谱法将开元寺无
10、梁殿按照度设防地震来进行抗震演算,其水平地震影响系数最大值取为多遇地震,设防地震,罕遇地震;特征周期值取,在罕遇地震下计算时按要求将特征周期增加,取。地震作用分析方法采用 ()法,地震影响系数曲线输入 个特征点进行计算。由于开元寺无梁殿建筑高度较低,因此主要考虑水平地震,参 考 建 筑 与 市 政 工 程 抗 震 通 用 规 范(),每级地震分别按照个工况考虑:工况,仅计算方向水平地震,取地震作用分项系数.;工况,仅计算方向水平地震,取地震作用分项系数.;工况,同时计算方向水平地震和方向竖向地震作用,取水平地震作地震工程学报 年用分项系数.和竖向地震作用分项系数.;工况,同时计算方向水平地震和
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