嘉峪關(guān)木結(jié)構(gòu)城樓動(dòng)力響應(yīng)特性研究

鄒智鵬 薛滕云 劉 璞 劉 娟

（湖南交通工程學(xué)院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

中國古建筑是世界上歷史最悠久、體系最完整的建筑體系，是中國文化遺產(chǎn)的重要組成部分，其從單體建筑到園林布置都在古代建筑文明中處于領(lǐng)先地位。古建筑城樓是我國古代勞動(dòng)人民智慧的結(jié)晶，具有重要的歷史與文化、科學(xué)與藝術(shù)價(jià)值。然而在長期的自然因素或者人為因素的破壞中，許多古建筑城樓存在不同程度的損傷甚至消失。因此，對(duì)古建筑城樓開展保護(hù)，尤其是開展預(yù)防性保護(hù)具有極其重要的意義。

近年來，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的腳步不斷加快，交通產(chǎn)生的激勵(lì)振動(dòng)會(huì)對(duì)建筑安全造成一定的影響，加之隨著旅游業(yè)的興起，絡(luò)繹不絕的游客產(chǎn)生的微振動(dòng)也會(huì)給一些極具歷史文化價(jià)值的古建筑城樓的安全帶來一定的危害。盡管交通和游客引起建筑的振動(dòng)較小，但對(duì)于古建筑城樓長期的疲勞損傷影響不可忽視。尤其那些上千年的古建筑城樓，由于自然因素以及其他因素使得它們已經(jīng)存在不同程度的損傷，加之長期反復(fù)的微振動(dòng)作用，容易使古建筑產(chǎn)生裂縫以及變形，對(duì)結(jié)構(gòu)安全帶來不利影響[1,2]。

目前關(guān)于古建筑城樓的動(dòng)力特性研究主要采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與有限元數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。Uchida 等[3]、Kawai等[4]、Minowa等[5]和Fujita[6]等通過動(dòng)力特性研究得到日本古建筑木塔的動(dòng)力特性參數(shù)；Ono 等[7]和Kameyama 等[8]對(duì)日本木結(jié)構(gòu)廟宇開展了動(dòng)力特性試驗(yàn)和有限元分析研究。在國內(nèi)，李世溫團(tuán)隊(duì)對(duì)山西應(yīng)縣木塔開展了數(shù)十年研究，包括靜力和動(dòng)力特性試驗(yàn)研究和理論分析，取得了一系列成果[9]；俞茂宏課題組對(duì)西安東門箭樓開展了動(dòng)力特性試驗(yàn)，獲得了古建筑城樓的動(dòng)力特性參數(shù)[10]；趙鴻鐵課題組開展了大量關(guān)于古建筑城樓動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究并取得了豐富成果[11]。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文以嘉峪關(guān)古建筑木結(jié)構(gòu)城樓為例，對(duì)其開展現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力特性測(cè)試與有限元模態(tài)分析，將二者結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。研究結(jié)果可為古建筑城樓的安全評(píng)估提供參考，也可為類似建筑形式的古建筑城樓的地震與風(fēng)振響應(yīng)分析方面提供參考。

1 嘉峪關(guān)木結(jié)構(gòu)城樓現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試

嘉峪關(guān)關(guān)城位于甘肅省嘉峪關(guān)市，始建于明朝洪武五年（公元1372年），是世界文化遺產(chǎn)。關(guān)城共有三座城樓，自西向東依次為關(guān)樓、柔遠(yuǎn)樓和光華樓。嘉峪關(guān)城樓屬于三重歇山頂式建筑，城樓平面布置呈長方形，面闊約12m，進(jìn)深約8m，總高度約17.2m。城樓總體布置如圖1所示。

圖1 嘉峪關(guān)關(guān)城總體布置圖

1.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試常用的方法有自由振動(dòng)法、強(qiáng)迫振動(dòng)法和脈動(dòng)法。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型建筑，例如橋梁、古建筑城樓等，無法采用簡單的自由振動(dòng)法或人工激勵(lì)（強(qiáng)迫振動(dòng)法）進(jìn)行分析，只能利用天然脈動(dòng)如風(fēng)荷載作為激勵(lì)，建筑結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)激勵(lì)作用下產(chǎn)生振動(dòng)，利用動(dòng)力測(cè)試設(shè)備即可測(cè)得結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)參數(shù)。

（1）動(dòng)力測(cè)試設(shè)備。

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)采用CMG-5TCDE一體化智能加速度傳感器，如圖2所示。該設(shè)備內(nèi)部采用Linux系統(tǒng)，可在離線狀態(tài)采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，具有高精度和靈活性而廣泛應(yīng)用于抗震防災(zāi)、大型振動(dòng)試驗(yàn)等。

圖2 CMG-5TCDE加速度傳感器

（2）測(cè)點(diǎn)布置。

測(cè)點(diǎn)選擇和布置依據(jù)《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50452-2008）和《城市區(qū)域環(huán)境振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)》（GB10071-88）中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行合理布置。嘉峪關(guān)古建筑城樓共三層，且屬于雙軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此測(cè)點(diǎn)布置也采用對(duì)稱方式。綜合考慮設(shè)備擺放和測(cè)量精確性，分別在城樓四角柱位置各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，在樓板中部布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，保證測(cè)點(diǎn)布置的均勻性。每層布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置18個(gè)測(cè)點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖3 城樓測(cè)點(diǎn)布置示意圖

對(duì)圖片做一定的處理，把圖中的回車符號(hào)去掉。

（3）測(cè)試流程。

現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)為連續(xù)性測(cè)試，測(cè)試時(shí)間選擇游客相對(duì)較少的上午7:00-9:00與下午5:00-7:00兩個(gè)時(shí)間段。首先在城樓內(nèi)部標(biāo)定測(cè)點(diǎn)，將現(xiàn)場(chǎng)雜物清除干凈放置設(shè)備，并調(diào)試設(shè)備；將儀器數(shù)據(jù)線連接電腦，啟動(dòng)SCREAM軟件確認(rèn)采集頻率、文件輸出間隔等參數(shù)。所有準(zhǔn)備工作確認(rèn)無誤后開始采集數(shù)據(jù)，同時(shí)相關(guān)人員撤出城樓以免產(chǎn)生干擾振動(dòng)；各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間為0.5h，之后更換測(cè)點(diǎn)。所有測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集完畢后拷出數(shù)據(jù)并拆除儀器?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)處理與分析

（1）城樓振動(dòng)速度峰值分析結(jié)果。

根據(jù)《古建筑防工業(yè)振動(dòng)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50452-2008）規(guī)定，國家級(jí)文物保護(hù)古建筑木結(jié)構(gòu)城樓柱頂水平向容許振動(dòng)速度為0.18~0.22mm/s，省級(jí)文物保護(hù)建筑柱頂水平向容許振動(dòng)速度為0.25~0.30mm/s。嘉峪關(guān)古建筑城樓屬于國家級(jí)保護(hù)建筑，柱頂水平向容許振動(dòng)速度應(yīng)以0.18~0.22mm/s為參考。由于篇幅原因，僅取城樓三層四角柱頂振動(dòng)干擾較少的測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。將測(cè)點(diǎn)水平振動(dòng)速度進(jìn)行匯總，如表1所示。

表1 城樓三層柱頂水平向振動(dòng)速度表 mm/s

由表1可知，嘉峪關(guān)古建筑城樓水平振動(dòng)速度東西向明顯大于南北向；將測(cè)試結(jié)果與規(guī)范要求值進(jìn)行對(duì)比可得，嘉峪關(guān)古建筑城樓水平向振動(dòng)速度均小于0.18mm/s，在規(guī)范限值以內(nèi)。

（2）自振頻率分析。

采用頻域分析法確定古建筑城樓的自振頻率，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試過程中由于游客走動(dòng)對(duì)城樓一、二層的測(cè)試結(jié)果存在一定干擾，因此僅以受到干擾較小的三樓測(cè)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果為城樓的自振頻率，如表2所示。

表2 城樓前六階自振頻率實(shí)測(cè)值

2 嘉峪關(guān)木結(jié)構(gòu)城樓有限元模態(tài)分析

2.1 有限元建模

城樓平面布置呈長方形，面闊約12m，進(jìn)深約8m，一層高5.2m，二層高4m，三層高8m，總高度約17.2m。檐柱與金柱截面半徑均為0.15m，各層主梁截面尺寸為0.2m（寬）×0.4m（高），檁條截面半徑為0.1m，椽子半徑為0.06m，建模模型尺寸如圖5~圖7所示。

圖5 一層柱網(wǎng)示意圖

圖6 二層柱網(wǎng)示意圖

圖7 三層柱網(wǎng)示意圖

采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行建模，在connections中設(shè)置連接方式。根據(jù)古建筑傳統(tǒng)工藝做法，城樓磚墻與內(nèi)部柱子一般留有5cm縫隙，因此建模時(shí)不考慮一層磚墻，建模時(shí)構(gòu)件參數(shù)設(shè)置及連接方式參考文獻(xiàn)[12]，一層磚墻、二三層的樓板和屋面板選用Shell 單元，可用于模擬板狀結(jié)構(gòu)。磚砌墻體與主體結(jié)構(gòu)的連接方式為剛性連接，砌體的E為2220MPa，抗壓強(qiáng)度為3225kPa，抗拉強(qiáng)度為289kPa。檐柱柱腳直接插入地面上的底座與其鉸接，類似于榫卯連接，可選用摩擦隔震器代替，摩擦系數(shù)取值為0.5，有效阻尼取值0.05。對(duì)于金柱而言，由于厚重墻體的約束作用，可以視為固接。城樓內(nèi)部的梁、柱、枋、檁和椽子等構(gòu)件之間采用榫卯連接方式，榫卯連接為半剛性連接，其特點(diǎn)為能承受軸向作用力和彎矩，采用Combine14彈簧單元模擬（可傳遞軸力、彎矩、剪力和扭矩）。最終建立有限元模型如圖8所示。

圖8 城樓有限元模型圖

2.2 有限元模態(tài)分析

采用ANSYS有限元軟件，根據(jù)子空間迭代法對(duì)嘉峪關(guān)古建筑城樓進(jìn)行模態(tài)分析，得到城樓前六階自振頻率如表3所示。

表3 城樓前六階自振頻率模擬值 Hz

將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與有限元模態(tài)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示?？梢钥闯鰞蓷l曲線基本一致，相差最大的為三階自振頻率，差值為27%。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與模擬結(jié)果對(duì)比圖

3 結(jié)束語

本文采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試與有限元模態(tài)結(jié)合的方法對(duì)嘉峪關(guān)古建筑木結(jié)構(gòu)城樓的動(dòng)力特性進(jìn)行研究，研究結(jié)論如下：

（1）采用CMG-5TCDE加速度傳感器對(duì)嘉峪關(guān)古建筑城樓開展了動(dòng)力測(cè)試試驗(yàn)，獲得城樓振動(dòng)速度、自振頻率等參數(shù)，并將城樓柱頂振動(dòng)速度與規(guī)范要求值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明嘉峪關(guān)古建筑城樓振動(dòng)速度在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

（2）采用ANSYS有限元軟件對(duì)嘉峪關(guān)古建筑城樓進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)前六階自振頻率，將模擬值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，二者結(jié)果基本一致。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與有限元模擬結(jié)果可為古建筑城樓安全評(píng)估提供參考，也可為類似建筑形式的古建筑城樓抗震抗風(fēng)方面提供參考。