初祖庵大殿結(jié)構(gòu)及抗震性能分析.pdf

1、初祖庵作為河南省登封市“天地之中”的代表性建筑之一，在2010年被列為世界文化遺產(chǎn)。初祖庵大殿是初祖庵內(nèi)的主體建筑，其建于北宋宣和七年，是現(xiàn)存最古老的石木結(jié)構(gòu)建筑之一。大殿建筑平面采用了“移柱造”做法，且殿內(nèi)斗拱、梁架、雕飾等內(nèi)容多與宋代《營造法式》相吻合，具有極高的建筑價(jià)值、文化價(jià)值和歷史價(jià)值。
　　然而對(duì)初祖庵大殿結(jié)構(gòu)性能和抗震性能的研究開展甚少，尤其關(guān)于“移柱造”做法對(duì)其石木構(gòu)架受力變形影響規(guī)律的研究?jī)?nèi)容尚處于空白。由于年久

2、失修、自然環(huán)境侵蝕和地震災(zāi)害等因素，大殿結(jié)構(gòu)已存在諸多病害，為了保證大殿整體結(jié)構(gòu)的安全性和可持續(xù)性，鄭州市世界遺產(chǎn)中心啟動(dòng)了《“天地之中”歷史建筑群現(xiàn)狀、病害調(diào)查及數(shù)據(jù)庫建設(shè)》(20160220A)項(xiàng)目研究。全面了解初祖庵大殿在役結(jié)構(gòu)性能和抗震性能才能為后期結(jié)構(gòu)安全動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)庫建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。因此，以初祖庵大殿為研究對(duì)象，開展了結(jié)構(gòu)性能和抗震性能的研究，主要進(jìn)行了如下工作并得到了相關(guān)結(jié)論:
　　(1)通過對(duì)初祖庵大殿現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

3、數(shù)據(jù)和相關(guān)歷史資料的整理，獲得了結(jié)構(gòu)中構(gòu)件尺寸、材料參數(shù)、地質(zhì)條件等數(shù)據(jù)，為后期建模分析提供了基本資料;探討了大殿屋頂、柱架、梁架和斗拱的構(gòu)造形式及營造特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了“大屋頂”和“移柱造”的構(gòu)成及傳力機(jī)制。
　　(2)利用有限元軟件ANSYS建立大殿石木構(gòu)架整體有限元模型，通過對(duì)其進(jìn)行正常使用條件下的結(jié)構(gòu)性能分析，得到了石木構(gòu)架的變形特征。分析表明:屋蓋翼角豎向變形最大，為13.63mm;明間后平槫及上部屋蓋變形較大，為9～10

4、mm;槫跨中變形較大，且以豎向變形為主;石木構(gòu)架主要以平面內(nèi)彎曲變形為主，最大值出現(xiàn)在三椽栿和與之相連的蜀柱;柱類構(gòu)件的變形相對(duì)較小。
　　(3)通過對(duì)石木構(gòu)架整體有限元模型在正常使用條件下的結(jié)構(gòu)性能分析，獲得了結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析可知:柱類構(gòu)件中，所有柱軸力均為壓力，且后蜀柱軸力約為前蜀柱軸力的3倍左右;栿類構(gòu)件中，下三椽栿和乳栿軸力較大;后上平槫跨中和端部彎矩較大，且其端部剪力較大。
　　(4)對(duì)大殿石木

5、構(gòu)架有限元模型開展模態(tài)計(jì)算，得到了其固有的動(dòng)力特性及振動(dòng)特點(diǎn)。從中可知石木構(gòu)架的固有周期為1.9037s，體現(xiàn)了其長(zhǎng)周期特性;前3階振型中無局部振動(dòng)等不良振型，結(jié)構(gòu)平面布置較為合理。
　　(5)沿大殿石木構(gòu)架的縱向（即面闊方向）輸入地震波進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，探討了石木構(gòu)架在不同水準(zhǔn)和不同地震波作用下的位移和加速度響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明:石木構(gòu)架的位移響應(yīng)隨地震作用的增大而增大，且各梁架層的水平位移隨梁架層高度的增高而增大。多遇地震作用下

6、，石木構(gòu)架的最大位移為22.2mm，處于安全范圍;設(shè)防地震作用下，石木構(gòu)架的最大側(cè)移為59.8mm，易發(fā)生局部破壞;罕遇地震作用下，石木構(gòu)架的位移響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過位移界限值，易發(fā)生榫卯破壞和斗拱歪閃等現(xiàn)象，甚至發(fā)生屋蓋脫落現(xiàn)象。石木構(gòu)架的加速度響應(yīng)隨地震作用的增大而增大;同水準(zhǔn)地震作用時(shí)，各梁架層的加速度響應(yīng)峰值較為接近，但加速度響應(yīng)峰值隨梁架層高度的增高而逐漸減小;梁架整體的動(dòng)力系數(shù)和各梁架層的動(dòng)力系數(shù)均小于1，表明榫卯和斗拱結(jié)構(gòu)有良好的

7、耗能減震作用。
　　(6)沿大殿石木構(gòu)架的橫向（即進(jìn)深方向）輸入地震波進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，得到了明間西縫柱架體系中前檐柱、前金柱、后金柱和后檐柱在不同水準(zhǔn)和不同地震波作用下的位移和加速度響應(yīng)結(jié)果。結(jié)果表明:在橫向多遇和設(shè)防地震作用下，各柱的振動(dòng)較為一致，結(jié)構(gòu)基本保持完好，但在罕遇地震作用下，各柱在地震過程中的振動(dòng)不再具有一致性，結(jié)構(gòu)整體性遭到破壞;各柱頂節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)峰值隨輸入地震波加速度幅值的增大而增大，但在同一種地震波作用下，