古建筑隔震動力時(shí)程分析

杜 闖，陳海霞，李旭光，邊智慧

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.中煤陜西中安項(xiàng)目管理有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；3.河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050021；4.河北省建筑科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021）

古建筑隔震動力時(shí)程分析

杜 闖1，陳海霞2，李旭光3，邊智慧4

（1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.中煤陜西中安項(xiàng)目管理有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；3.河北建研科技有限公司，河北 石家莊 050021；4.河北省建筑科學(xué)研究院，河北 石家莊 050021）

利用數(shù)值模擬方法研究采用隔震技術(shù)保護(hù)古建筑抗震安全性.建立了非隔震和隔震東宮門古建筑2種三維實(shí)體有限元模型，進(jìn)行模態(tài)分析和動力時(shí)程分析.通過輸入不同頻譜的天津波、EI Centro波和人工波，對比分析了2種模型結(jié)構(gòu)動力特性及在罕遇地震作用下的位移、加速度時(shí)程曲線.結(jié)果表明：非隔震與隔震東宮門各階模態(tài)基本一致，但隔震結(jié)構(gòu)基本周期明顯增大，有效地減小了地震作用.在天津波、EI Centro波和人工波作用下，隔震結(jié)構(gòu)比非隔震結(jié)構(gòu)位移和加速度分別減少了33.29%、63.74%、55.67%和91.04%、91.67%、91.43%，隔震支座極大地減少地震反應(yīng).本文的隔震研究可為類似古建筑的抗震保護(hù)提供一定的參考.

古建筑；隔震；地震反應(yīng)分析；抗震性能；有限元

0 引言

近年來，世界地震頻發(fā)，毀壞了許多具有歷史文化價(jià)值的古建筑.如在2008年我國汶川地震中，有169處全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位、250處省級文物保護(hù)單位受到不同程度損害[1-2].在2010年我國玉樹地震中，有16處國家級文物保護(hù)單位和省級文物保護(hù)單位受到損害[3].在2015年尼泊爾發(fā)生里氏8.1級強(qiáng)震，首都加德滿都14座重點(diǎn)古建筑，其中12座世界文化遺產(chǎn)在地震中被毀.這些古建筑蘊(yùn)含著豐富的歷史文化價(jià)值，一旦破壞會造成不可挽回的損失.隔震技術(shù)是一種先進(jìn)的抗震技術(shù)，該技術(shù)在新建的橋梁、多高層建筑中應(yīng)用較多，但在古建筑抗震保護(hù)方面應(yīng)用很少，這主要是因?yàn)楣沤ㄖ橐呀ńㄖ?，年代久遠(yuǎn)，古建筑整體性能差.隔震支座施工需要開挖基礎(chǔ)，面臨許多實(shí)際困難和風(fēng)險(xiǎn).但從長遠(yuǎn)來說，保護(hù)古建筑抗震安全性應(yīng)為第一，因此主動地有意識地應(yīng)用隔震技術(shù)保護(hù)古建筑安全是一種最好的選擇.目前，國內(nèi)對于古建筑的隔震研究應(yīng)用主要集中在一些需要搬遷的古建筑方面.如：文獻(xiàn)[4]提出了將摩擦滑移隔震支座和橡膠隔震支座組成并聯(lián)復(fù)合隔震支座新形式，并成功應(yīng)用于某教堂整體平移工程中.文獻(xiàn)[5]研究了由于城市地鐵修建穿過古建筑，采用隔震技術(shù)保護(hù)歷史文物建筑不受地鐵影響的案例.文獻(xiàn) [6]研究了歷史建筑的隔震加固技術(shù)，主要對隔震支座的布置原則、隔震結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法和隔震加固的施工工藝進(jìn)行了探討，并提出了一種由滑板和橡膠支座構(gòu)成的組合隔震系統(tǒng).

我國湖北武當(dāng)山遇真宮古建筑，由于南水北調(diào)工程，該古建筑需要整體頂升[7]，高度達(dá)15 m.頂升之后為了保證古建筑的抗震安全，需要安裝隔震支座.本文以其中的東宮門古建筑為研究對象，對比分析了施加隔震支座和不施加隔震支座古建筑的隔震性能，為實(shí)際工程采用隔震技術(shù)保護(hù)古建筑提供理論參考.

1 工程概況

湖北武當(dāng)山遇真宮東宮門古建筑是砌體結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)由磚砌成，下部基礎(chǔ)由青石塊砌成，頂部覆蓋著琉璃瓦.建筑物建造年代較為久遠(yuǎn)，常年受自然風(fēng)侵雨蝕，局部損傷嚴(yán)重，砌體材料老化.古建筑占地面積為95 m2，為單拱券門洞結(jié)構(gòu).古建筑遇真宮東宮門的平面圖、正立面如圖1所示.

圖1 東宮門平面圖、立面圖Fig.1 Plan and elevation of Donggongmen

根據(jù)東宮門現(xiàn)場檢測及相關(guān)文獻(xiàn)資料，青石基礎(chǔ)密度為2 800 kg/m3，彈性模量為50 000 MPa，泊松比為0.2.磚為青灰色，沙泥質(zhì)，磚砌體強(qiáng)度檢測等級為MU7.5.采用貫入法對砌筑砂漿強(qiáng)度進(jìn)行檢測，所測強(qiáng)度外層介于0.4～7.5 MPa之間，內(nèi)部強(qiáng)度小于0.4 MPa.

2 有限元建模

本文采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬分析，古建筑砌體結(jié)構(gòu)采用整體建模，不考慮砂漿與磚之間關(guān)系，將砌體其作為整體材料.下面主要介紹材料本構(gòu)、支座模擬技術(shù)和有限元模型.

2.1 砌體本構(gòu)關(guān)系

砌體本構(gòu)關(guān)系國內(nèi)外有多種公式，有對數(shù)型、多項(xiàng)式型、直線分段型等，本文采用國內(nèi)應(yīng)用廣泛的施楚賢公式[8].

式中：ξ取460；fm為砌體抗壓強(qiáng)度的平均值，根據(jù)砌體規(guī)范提供的砌體抗壓強(qiáng)度平均值的計(jì)算公式求得[9]；ε、σ分別為砌體對應(yīng)應(yīng)變和應(yīng)力.

2.2 隔震支座的模擬

采用鉛芯橡膠隔震支座，該支座由上、下鋼承板、中部交錯(cuò)疊層和核心鉛芯組成.鉛芯橡膠隔震支座豎向剛度非常大，為線彈性變形，而水平剛度是豎向剛度的1%左右，具有顯著的非線性變形特征.隔震支座豎向力學(xué)模型為線彈性模型，水平方向的力學(xué)模型為雙線性恢復(fù)力模型，如圖2所示.

圖2 隔震支座水平方向雙線性力學(xué)模型Fig.2 Bilinear mechanical model of isolation bearing at the horizontal direction

采用彈簧單元模擬隔震支座[10-11].單元Combin14模擬豎直方向，豎直方向?yàn)榫€彈性.單元Combin40模擬2個(gè)水平方向，水平方向?yàn)殡p線性.一個(gè)隔震支座由3個(gè)單元所組成.隔震支座模型示意圖如圖3所示.

圖3 隔震支座模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of the isolation bearing

2.3 有限元建模

根據(jù)東宮門幾何尺寸和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用單元SOLID186模擬砌體.先建立面，由面拉伸成體，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分.此次建模以Y軸為豎直方向，X軸和Z軸為水平方向.模擬隔震東宮門底部支座時(shí)，先選擇基底節(jié)點(diǎn)，分別沿著X方向、Y方向、Z方向復(fù)制，設(shè)置3個(gè)方向的彈簧屬性，連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)成彈簧單元.非隔震東宮門有限元模型與隔震東宮門有限元類似，僅基底沒有隔震支座.

3 動力特性分析

與靜力分析不同，結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)不僅與外荷載有關(guān)，而且與結(jié)構(gòu)本身的動力特性有關(guān).因此，首先進(jìn)行模態(tài)分析以確定結(jié)構(gòu)的周期、頻率和模態(tài)等動力特性.本文模態(tài)的提取方法采用分塊蘭索斯法，指定提取的模態(tài)數(shù)為10，圖4給出了前2階的振型.模態(tài)分析結(jié)果如表1所示.

比較非隔震和隔震東宮門二者的模態(tài)，可以看出，非隔震與隔震東宮門各階模態(tài)基本一致，先整體平動，后局部扭轉(zhuǎn).隔震東宮門的各階頻率比非隔震東宮門的各階頻率小，各階周期則相應(yīng)大.第一振型對結(jié)構(gòu)的振動貢獻(xiàn)最大，高階振型對結(jié)構(gòu)振動的影響要小得多.非隔震東宮門第一自振周期為0.139 s，隔震東宮門第一自振周期為2.804 s，由地震反應(yīng)譜曲線可知，結(jié)構(gòu)的自振周期延長后，上部結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)將減小，層間剪力也將減小.從圖4模態(tài)比較可見，非隔震的東宮門基本振型為上大下小的“放大型”，而隔震的東宮門基本振型為“整體型”，變形集中在隔震層，上部整體近似剛體振動.

表1 東宮門的動力特性Tab.1 Dynamic characteristics of Donggongmen

圖4 非隔震與隔震前2階模態(tài)Fig.4 First two mode of non-seismic isolation and seismic isolation

4 地震反應(yīng)分析

4.1 地震波選取及調(diào)整

本文選用一條人工波和兩條典型天然地震波三向記錄進(jìn)行計(jì)算分析，即天津波、EI Centro和人工波，并對3條地震波均選取了前15 s進(jìn)行分析，時(shí)間間隔取0.02 s.為了消除地震加速度不同所產(chǎn)生的影響，對3條波的加速度進(jìn)行調(diào)幅.將各條波的加速度峰值調(diào)整為125 cm/s2.同時(shí)根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，東宮門古建筑的第一振型都是沿著水平方向Z軸平動，可見該方向地震時(shí)最薄弱，最易遭到地震破壞.因此采用天津波、EI Centro和人工波南北波（以南北波作為水平方向Z軸） 記錄作為輸入來分析古建筑的動力時(shí)程反應(yīng).

為了便于比較，選取有限元模型相同位置的同一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較.分別提取1號節(jié)點(diǎn)（高度為0 m）和3202號節(jié)點(diǎn)（高度為7.38 m） 進(jìn)行比較.1號代表底部，3202號代表頂部.節(jié)點(diǎn)位置如圖5所示.對于非隔震和隔震模型，以下分析均取相同位置的節(jié)點(diǎn)1號和3202號進(jìn)行比較分析.結(jié)構(gòu)的破壞程度由其相對變形造成的，故下面的位移和加速度為相對值，即節(jié)點(diǎn)3202號相對節(jié)點(diǎn)1號，以節(jié)點(diǎn)1號為參考點(diǎn).

4.2 位移和加速度分析

圖6為東宮門頂部節(jié)點(diǎn)3202在6度罕遇地震作用下的水平（Z向）位移和加速度時(shí)程曲線，為了便于分析，將3組地震波時(shí)程分析計(jì)算所得罕遇地震作用下最大位移、加速度進(jìn)行對比，分別列于表2中.

圖5 有限元模型節(jié)點(diǎn)位置Fig.5 Node position of finite element model

圖6 位移和加速度時(shí)程曲線Fig.6 Displacement and acceleration time curves

由圖6及表2中3條地震波位移、加速度時(shí)程曲線及位移、加速度值，可以看出：1）在罕遇地震作用下，輸入3條不同頻譜的地震波，隔震比非隔震東宮門位移和加速度時(shí)程曲線都小.表明設(shè)置隔震層后，降低了結(jié)構(gòu)的水平地震反應(yīng)，隔震層減少地震能量向上傳遞，起到減少地震反應(yīng)的作用.2）輸入不同頻譜的地震波計(jì)算表明，隔震結(jié)構(gòu)比非隔震結(jié)構(gòu)能夠降低位移.不同地震波降低幅度不同，天津波降低33.29%，EI Centro波降低63.74%，人工波降低55.67%.平均位移降低約幅度的1/3～1/2.同時(shí)看出，由于地震波的頻譜差異較大，相對位移差異較大.3）在罕遇地震作用下，設(shè)置隔震層后，古建筑的加速度反應(yīng)下降很大.與非隔震結(jié)構(gòu)相比，天津波降低91.04%，EI Centro波降低91.67%，人工波降低91.43%，3種不同頻譜下的地震波平均減小90%多.可見，隔震層對結(jié)構(gòu)加速度減小效果非常顯著.

表2 節(jié)點(diǎn)3202位移和加速度值Tab.2 Displacement and acceleration values of node 3202

5 結(jié)論

通過對非隔震和隔震古建筑2種有限元模型的模態(tài)分析、地震響應(yīng)的分析，得到以下結(jié)論：

1）模態(tài)分析表明，非隔震與隔震東宮門各階模態(tài)基本一致，先整體平動，后局部扭轉(zhuǎn).設(shè)置隔震層后結(jié)構(gòu)的周期延長，第1周期由0.139 s變?yōu)?.804 s，結(jié)構(gòu)的水平地震力減少.

2）位移和加速度分析表明，在罕遇地震作用下，隔震東宮門比非隔震東宮門減小位移和加速度反應(yīng)，在天津波、EI Centro波和人工波下，位移和加速度分別減小為33.29%、63.74%、55.67%和91.04%、91.67%、91.43%.可見，古建筑施加隔震支座后，有效的減少了地震反應(yīng)，從而保護(hù)了古建筑免遭地震破壞可能性.

[1]周乾，閆維明，楊小森，等.汶川地震導(dǎo)致的古建筑震害[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2010，22（1）：37-45.

[2]謝啟芳，薛建陽，趙鴻鐵.汶川地震中古建筑的震害調(diào)查與啟示[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010，32（S2）：18-23.

[3]宋耀春，李占國.4.14玉樹地震古建筑損害調(diào)查及應(yīng)急性保護(hù)對策[J].青海社會科學(xué)，2010，7（4）：94-98.

[4]趙士永，王鐵成，李旭光.并聯(lián)復(fù)合隔震技術(shù)在文物古建筑整體移位工程中的應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，2013（1）：94-98.

[5]楊巧榮，何文福，魏陸順，等.地鐵沿線歷史保護(hù)建筑三維隔震減振加固研究[J].地震工程與工程震動，2014，34（S1）：777-782.

[6]范夕森，徐紅云，任淑貞，等.歷史建筑的隔震加固技術(shù)研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（3）：255-258.

[7]邊智慧，王鐵成，付素娟，等.武當(dāng)山遇真宮山門多點(diǎn)無回降同步頂升設(shè)計(jì)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2013，43（24）：89-92.

[8]曾曉明，楊偉軍，施楚賢.砌體受壓本構(gòu)關(guān)系模型的研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2001，27（3）：8-10.

[9]GB 50003-2011，砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

[10]張明超.高層框架層間隔震及阻尼耗能結(jié)構(gòu)的動力時(shí)程分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[11]包立剛.高層框架層間隔震結(jié)構(gòu)抗震性能分析[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[責(zé)任編輯 楊 屹]

Dynamic time history on seismic isolation of ancient building

DU Chuang1，CHEN Haixia2，LI Xuguang3，BIAN Zhihui4
（1.School of Civil Engineering and Transportation,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China;2.China Coal Shaanxi Zhong’an Project Management Co Ltd,Shaanxi xi’an 710054,China;3.Hebei Building Research Technology Co Ltd,Hebei Shijiazhuang 050021,China;4.Heibei Academy of Building Research,Hebei Shijiazhuang 050021,China）

The seismic safety of ancient building using seismic isolation technology is investigated by numerical simulation method.Two three-dimensional finite element models of non-seismic isolation and seismic isolation of Donggongmen were conducted,the modal analysis and the dynamic time history analysis were proceeded.The structural dynamic characteristics and the displacement,acceleration time history curves of the two models were compared and analyzed by inputting different frequency spectrum of Tianjin wave,EI Centro wave and artificial wave under infrequent seismic actions.The results show that non-seismic isolation structure and seismic isolation structure are the same in forms of vibration,but isolation structure of the basic period is obviously increased,which effectively reduces the seismic effect.Under the action of Tianjin wave,Centro EI wave and artificial wave,the displacement of the isolated structure are respectively reduced by 33.29%,63.74%,55.67%;and the acceleration of the isolated structure are respectively reduced by 91.04%,91.67%, 91.43%.Seismic isolation bearings greatly reduce seismic response.The study of seismic isolation in this paper can provide a reference for the seismic protection of other similar ancient building.

ancient building;seismic isolation;seismic response analysis;seismic behavior;finite element

TU352.12

A

1007-2373（2017）01-0108-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.01.019

2016-11-28

河北省科技廳基金（15275802）

杜闖（1976-），男，講師，博士，duch_1@sina.com.