某佛寺舍利塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討

魏 利 國

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

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某佛寺舍利塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的探討

魏 利 國

(山西省建筑科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

結(jié)合某佛寺舍利塔工程的實際情況，探討了該舍利塔結(jié)構(gòu)設(shè)計的難點，并采用PKPM與ANSYS軟件，從振型、剛度、模態(tài)、響應(yīng)譜等方面，計算分析了該塔結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，從而驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的科學(xué)合理性。

舍利塔，鋼結(jié)構(gòu)，ANSYS，PKPM，振型

0 引言

隨著科技的進步，建筑材料不斷增加，設(shè)計水平和施工工藝水平也不斷提高，仿古建筑的結(jié)構(gòu)形式也各式各樣，綜合來看無非還是木結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)三大類。

仿古建筑要在建筑設(shè)計上體現(xiàn)其古風(fēng)古韻，在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)形式和建筑材料中鋼結(jié)構(gòu)便是首選。因為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般在工廠預(yù)制、現(xiàn)場拼接，施工周期短，工業(yè)化程度高，故在不影響結(jié)構(gòu)受力的情況下，易于新舊更替、以全換損，能讓仿古建筑的生命得到不斷的延續(xù)。

1924年雷鋒塔倒了，為恢復(fù)舊時的景觀杭州市政府在原遺址上對其進行了重建。新建的雷鋒塔結(jié)構(gòu)形式就是全鋼架結(jié)構(gòu)，其瓦、脊、斗拱及欄桿等均采用銅制構(gòu)件。新雷鋒塔作為一座獨特的中國古塔，其開創(chuàng)了鋼結(jié)構(gòu)仿古塔的先例。2009年2月，采用全鋼結(jié)構(gòu)的隋唐洛陽城定鼎門遺址博物館正式動工，2010年1月20日，主體結(jié)構(gòu)采用全鋼架結(jié)構(gòu)的西安大明宮丹鳳門竣工，鋼結(jié)構(gòu)仿古建筑的開始結(jié)束了鋼筋混凝土仿古的獨霸局面。

本文中的舍利塔整體建筑為仿唐風(fēng)格古塔，外觀七層七檐，內(nèi)部十四層中七明七暗，工程主體為7層鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)，塔高95 m，采用四角方塔的建筑形式，平面尺寸沿層逐步收分，明暗層交替，整體實現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)與古建筑的完美結(jié)合。該塔建筑面積5 489 m2，地下共3層，塔基長、寬均為29 m，塔基以上是唐塔，唐塔外圍長、寬23.4 m。

該舍利塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計以現(xiàn)行相關(guān)設(shè)計規(guī)范及規(guī)程為依據(jù)，主體結(jié)構(gòu)采用鋼與混凝土混合結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的安全等級為一級，設(shè)計使用年限為50年；抗震設(shè)防烈度為7度(抗震構(gòu)造措施按8度考慮)，建筑抗震設(shè)防類別為乙類，設(shè)計地震分組第二組(設(shè)計基本地震加速度0.1g)，場地類別Ⅱ類，特征周期Tg=0.4 s；基本風(fēng)壓取0.36 kN/m2，地面粗糙度為A類。鋼框架—支撐結(jié)構(gòu)中柱采用鋼管混凝土柱，內(nèi)填C40混凝土，梁采用H型鋼梁及鋼管，鋼材均采用Q345級。樓板采用BONDEK壓型鋼板組合樓板。

1 結(jié)構(gòu)體系難點

該舍利塔為鋼結(jié)構(gòu)的仿古建筑工程，為了更好的恢復(fù)原貌，體現(xiàn)仿古建筑的古風(fēng)、古韻，設(shè)計計算分析中主要有以下難點：

1)該舍利塔體型復(fù)雜，下寬上窄，結(jié)構(gòu)構(gòu)造上鋼柱層層錯位，即：每上一層都按一定的比例將柱子向內(nèi)位移，使鋼柱向內(nèi)側(cè)產(chǎn)生“內(nèi)收”的現(xiàn)象。在1層9.7 m，2層～7層8.9 m位置，邊柱、內(nèi)柱向內(nèi)位移200 mm～300 mm，角柱相應(yīng)向45°方向內(nèi)移，上下層柱形成承插節(jié)點，層間收分節(jié)點的構(gòu)造復(fù)雜，使得上下層間荷載傳遞不規(guī)則，該節(jié)點必須予以加強，見圖1。

2)該舍利塔的建筑外觀造型特殊，采用大飛檐，其懸挑飛椽及翼角外挑長度較大，飛檐的挑檐檁外出挑2.68 m～6.74 m；每個翼角的鋼構(gòu)件自重平均在10 t左右，荷載較大，結(jié)構(gòu)受力及傳力途徑復(fù)雜。而且由于懸挑飛檐特殊的構(gòu)造性要求，所有鋼椽的尾部均集中在三角形尾部，其支撐位置逐漸減少，因此懸挑挑檐的相對剛度是一較薄弱的環(huán)節(jié)，設(shè)計中應(yīng)予以重視。

2 結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定計算分析

2.1 計算模型

該舍利塔的設(shè)計分析計算分別采用了PKPM(SATWE)和ANSYS兩種軟件進行相互驗證。結(jié)構(gòu)分析遵循《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)規(guī)定。

采用PKPM系列軟件(SATWE)整體建模分析時，結(jié)構(gòu)的梁、柱均采用了空間桿單元，樓板假定為彈性樓板，梁與柱的連接節(jié)點為剛性節(jié)點，整體結(jié)構(gòu)的嵌固點在基礎(chǔ)底板處，地下室與上部結(jié)構(gòu)整體參加計算，考慮土體對地下室的約束作用。

采用ANSYS軟件進行結(jié)構(gòu)體系整體穩(wěn)定承載力計算分析時，簡化掉了懸挑挑檐的木結(jié)構(gòu)細檁條，采用Beam188單元進行建模，假設(shè)該舍利塔的彈性模量E=210 GPa，泊松比取0.28，材料密度取78 kN/m3?；钶d及未建模的恒載按等效密度的方法進行考慮。

2.2 PKPM(SATWE)分析結(jié)果

1)振型分析。

對該舍利塔進行結(jié)構(gòu)動力特性分析，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02，綜合考慮為確保X，Y，Z三個方向上結(jié)構(gòu)振型的參與質(zhì)量達到90%以上，取前30階振型進行模擬分析。查看表1及軟件分析結(jié)果可知，該舍利塔的前3階振型為主振型，其余高階振型周期相差較小，頻譜比較密集。由計算結(jié)果可知，第1階振型是X方向的平動，第2階振型是Y方向的平動，1，2階振型周期比較相近，X方向的剛度大于Y方向的，第3階振型是扭轉(zhuǎn)振動。經(jīng)分析可以看出，該舍利塔整體結(jié)構(gòu)的振型勻稱，結(jié)構(gòu)的剛度及質(zhì)量分布均勻，沒有出現(xiàn)剛度較弱的地方，抗震性能很好。

表1 前5階振型的周期、平動系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)

2)結(jié)構(gòu)剛度分析。

由計算結(jié)果可知，在地震作用下結(jié)構(gòu)最小樓層剪重比X向、Y向均為2.84%，滿足抗震規(guī)范要求的X，Y向樓層最小剪重比1.60%；X向結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/866，Y向結(jié)構(gòu)最大層間位移角為1/874，結(jié)構(gòu)彈性層間位移角均小于1/250；結(jié)構(gòu)整體變形滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求。

2.3 ANSYS分析結(jié)果

1)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。

采用ANSYS分析得到結(jié)構(gòu)的自振周期如表2所示。由計算結(jié)果可以看出，第1，2階振型分別為X，Y方向的平動，兩者周期相近，符合正方形結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計所要求的設(shè)計原則；第3振型則以扭轉(zhuǎn)為主。在分析過程中發(fā)現(xiàn)第6振型的3層，4層挑檐出現(xiàn)明顯的上下振動，局部挑檐振動的過早出現(xiàn)說明挑檐的相對剛度是一個較薄弱的環(huán)節(jié)，設(shè)計中需重點對待。

表2 前6階振型的自振周期

2)響應(yīng)譜分析。

根據(jù)上述分析結(jié)果、該工程特點和實際設(shè)計要求，對該結(jié)構(gòu)進行響應(yīng)譜計算，計算結(jié)果表明：在8度水平地震作用下，結(jié)構(gòu)最大位移發(fā)生在舍利塔頂部，其大小為51.337 mm(如圖2所示)，小于PKPM的計算結(jié)果63 mm；結(jié)構(gòu)最大偏移角度為0.005 14～0.001之間，響譜分析的變形形式與模態(tài)分析第1振型的變形形式基本一致；在8度的豎向地震作用下，豎向地震力取水平力的0.5倍，從計算結(jié)果中可以看出第3層的懸挑挑檐部位出現(xiàn)豎向的地震響應(yīng)(如圖3所示)，最大豎向位移為0.016 mm，位移響應(yīng)較小。

3 結(jié)語

1)該舍利塔采用四角方塔的建筑形式，鋼柱層層錯位，平面尺寸沿層逐步收分，明暗層交替，整體實現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)與古建筑的完美結(jié)合。

2)該舍利塔在設(shè)計上將鋼、木兩種不同的材料有機地結(jié)合起來，充分利用了兩種材料的特性和優(yōu)點，對鋼結(jié)構(gòu)進行了外包木處理，這就使得建筑的結(jié)構(gòu)安全和藝術(shù)性得到統(tǒng)一。

3)對該舍利塔在靜力及地震作用下的結(jié)構(gòu)性能進行研究，得出了合理的結(jié)論。

4)采用PKPM與ANSYS兩種軟件的計算結(jié)果基本相符，設(shè)計合理。整體結(jié)構(gòu)的振型勻稱，剛度及質(zhì)量分布均勻，抗震性能很好；結(jié)構(gòu)的整體變形滿足相關(guān)設(shè)計規(guī)范的要求。

5) PKPM與ANSYS的分析結(jié)果的高階振型中該塔塔剎的鞭梢效應(yīng)已表現(xiàn)出來，故需進一步詳細探討塔剎鞭梢效應(yīng)的影響。

6)該舍利塔的節(jié)點域構(gòu)造比較復(fù)雜，其節(jié)點域的應(yīng)力分布有必要進行相應(yīng)的補充計算，并應(yīng)根據(jù)其有限元分析的結(jié)果進行承載力驗算。

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Discussion on the structure design of an Buddhist Stupa

Wei Liguo

(ShanxiAcademyofBuildingResearch,Taiyuan030001,China)

Combining with the actual situation of a Buddhist Stupa project, this paper discussed the structure design difficulty of the Stupa, and using PKPM and ANSYS software, from the vibration mode, stiffness, modal, response spectrum and other aspects, analyzed and calculated the overall stability of the Stupa structure, in order to verify the scientific rationality of structure design.

Stupa, steel structure, ANSYS, PKPM, vibration mode

1009-6825(2016)24-0041-02

2016-06-17

魏利國(1965- )，男，工程師

TU318

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