木構(gòu)架承重體系結(jié)構(gòu)性能分析范文

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《廣西大學(xué)學(xué)報》2016年第一期

摘要:

為了給顯仁殿的修繕提供科學(xué)依據(jù)，建立了顯仁殿整體有限元數(shù)值模型，對其進(jìn)行了正常使用條件下的結(jié)構(gòu)性能分析。結(jié)果表明:木結(jié)構(gòu)強(qiáng)度富余較大，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài);屋蓋檐部因出挑距離較大而產(chǎn)生變形，最大值11.24mm發(fā)生在明間飛椽末端;明間屋蓋下金檁、檐檁跨中變形較大，引起屋面局部下沉，是結(jié)構(gòu)薄弱部位;桃尖梁、抱頭梁受集中荷載作用，在跨中產(chǎn)生較大彎矩;五架梁布置合理，彎矩分配均勻;木構(gòu)架榫卯節(jié)點連接處和重檐金柱上半部分受力復(fù)雜，是木構(gòu)架承重關(guān)鍵部位，易因木材槽朽、開裂等殘損引起構(gòu)件承載力不足，會直接影響結(jié)構(gòu)的安全性能，需要采取相應(yīng)的加固措施。所得結(jié)論將為顯仁殿的維修加固提供科學(xué)依據(jù)，同時可為同類木結(jié)構(gòu)的修復(fù)提供參考。

關(guān)鍵詞:

古建筑;木結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)性能;有限元分析;靜力分析

太昊陵位于河南省淮陽縣中部，是集陵和廟為一體的文物建筑群。據(jù)《陳州府志》記載:“太昊陵廟在春秋時已有陵，漢以前有祠，后歷代多有興廢”，現(xiàn)陵內(nèi)主要建筑建于明朝，距今500余年。太昊陵廟按照皇家陵墓興建，布局完整，建筑式樣豐富，有歇山、懸山、硬山形式，單檐、重檐俱全，整個建筑群主要貫穿在南北垂直中軸線上，氣勢雄偉。顯仁殿則位于太昊陵廟內(nèi)，建于公元1462年，為重檐歇山式建筑，立于直壁式臺基之上。整個建筑由抬梁式木構(gòu)架承重，磚墻布置于重檐金柱之間，與檐柱之間形成回廊。屋面采用灰色筒瓦覆頂，四角輕盈翹起，氣勢非凡。然而由于年久失修，顯仁殿部分重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件已出現(xiàn)不同程度的殘損。為了加固維修的需要，本課題組對太昊陵廟內(nèi)主要建筑進(jìn)行實地調(diào)研，通過數(shù)值模擬分析方法對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，了解結(jié)構(gòu)受力變形特點并找到結(jié)構(gòu)薄弱部位，為其維修加固提供技術(shù)支持。

1結(jié)構(gòu)布局及殘損現(xiàn)狀

1.1結(jié)構(gòu)布局顯仁殿平面呈長方形，其面闊七間，總長25.5m，總寬17m，通高12.8m。整個結(jié)構(gòu)由里金柱、重檐金柱和檐柱三圈木柱支撐，檐柱與重檐金柱之間以抱頭梁相連，并在重檐金柱間施用承椽枋，將檐椽搭置于承椽枋上，形成第一重屋面;重檐金柱上支撐有斗拱，斗拱上安裝桃尖梁，梁末端開榫插于里金柱卯口之中，里金柱柱頂支撐五架梁，組成進(jìn)深方向的基本構(gòu)架，共同承載第二重屋面(如圖2～3所示)。

1.2殘損現(xiàn)狀顯仁殿歷經(jīng)數(shù)百余年風(fēng)雨，迄今保存較為完好，證明其整體性能較好。然而由于年久失修，加之木材易腐蝕、耐久性差等特點，顯仁殿已出現(xiàn)多處殘損現(xiàn)象。本課題組于2014年8月對太昊陵進(jìn)行了為期16d的實地調(diào)研，統(tǒng)計調(diào)研數(shù)據(jù)得其主要構(gòu)件殘損情況如表1所示。由表1可知，木材糟朽是構(gòu)件殘損的主要病害，其主要發(fā)生在木構(gòu)件表面，糟朽程度由外向內(nèi)依次降低，使得木構(gòu)件橫截面有效受力面積減小、承載力降低;在斗拱中，部分廂拱變形、小斗殘佚，使斗拱整體性能降低，在荷載作用下變形加大，導(dǎo)致屋面局部下沉，瓦面、灰背開裂，造成漏雨;屋面本身構(gòu)造復(fù)雜，加之維護(hù)不當(dāng)，已滋生雜草，致使筒瓦、板瓦破裂，雨水滲透進(jìn)入屋內(nèi)，望板、椽子等構(gòu)件嚴(yán)重槽朽。上述殘損現(xiàn)象已影響到了結(jié)構(gòu)的整體性能，若不加以合理的修復(fù)，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞。本文以顯仁殿整體為研究對象，采用有限元軟件ANSYS建立三維有限元模型，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，根據(jù)計算結(jié)果研究結(jié)構(gòu)受力變形特點，找到結(jié)構(gòu)薄弱部位，為維修加固提供科學(xué)指導(dǎo)。由于淮陽縣抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，其設(shè)防烈度不高，按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011－2010)的要求，本文在此僅進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜力分析。

2參數(shù)選取及模型建立

2.1參數(shù)選取顯仁殿木材均為榆木，由于木材為各向異性材料，各個方向的力學(xué)性能均有很大差別，因此根據(jù)木材材性實驗［1-2］選擇木材各向彈性模量、剪切模量、泊松比等參數(shù)如表2所示，木材密度取為650kg/m3?？紤]到顯仁殿年代久遠(yuǎn)、木材材性退化及長期荷載作用等因素，根據(jù)現(xiàn)行《古建筑木結(jié)構(gòu)維修與加固技術(shù)規(guī)范》(GB50165－92)，對木材彈性模量及設(shè)計強(qiáng)度乘以0.75的調(diào)整系數(shù)。屋頂是由各種材料層疊而成(圖4)，各種材料交互布置，形成一“剛性板”。因此，將椽子及其以上材料等效為一整體屋面板［3-4］，用等效重量法將其重量及屋面活荷載等效為單元密度。屋面各層厚度及重量［5］如表3所示，活荷載取為0.7kN/m2，經(jīng)計算屋面板密度取值為5672.8kg/m3。

2.2模型建立采用有限元軟件ANSYS建立有限元模型，其中Beam189單元模擬梁柱，Shell181單元模擬屋面板，Combin39單元模擬榫卯節(jié)點及斗拱［11-12］。由于本文只考慮豎向荷載，維護(hù)磚墻對木構(gòu)架受力無影響，因此不考慮維護(hù)磚墻［13］。木柱底部無管腳榫，柱底約束條件采用鉸接［14-15］。由此建立顯仁殿三維模型如圖6所示，其中x為木結(jié)構(gòu)水平縱向，y為水平橫向，z為豎向。

3計算結(jié)果分析

3.1位移分析

對顯仁殿進(jìn)行自重及屋面活荷載作用下的靜力分析，得顯仁殿屋蓋、木構(gòu)架的總位移云圖分別如圖7～8所示。

3.1.1屋蓋位移屋檐外側(cè)總位移較大，沿屋頂坡面向上位移值逐漸減小，以明間上部屋蓋位移變化規(guī)律最為明顯。其中最大位移發(fā)生在明間上層檐跨中飛椽末端，位移值為11.24mm;其次為山面上層檐中部飛椽末端，位移值為10.58mm。這是因為在古建筑木結(jié)構(gòu)當(dāng)中，屋蓋作為室內(nèi)外空間的重要圍護(hù)結(jié)構(gòu)，考慮了防雨、保溫等功能要求及美觀等因素，往往造成屋蓋構(gòu)造復(fù)雜、重量大;再則，房屋中間部位面寬較大，屋檐向外出挑形成懸臂構(gòu)件，使屋檐飛椽末端變形加劇。故屋檐是結(jié)構(gòu)薄弱部位。因此，應(yīng)加強(qiáng)屋檐上各類構(gòu)件相互之間連接措施，尤其是檐椽與檐步架的連接，防止其產(chǎn)生傾覆破壞;對檐椽、飛椽等承重構(gòu)件發(fā)生槽朽、開裂等現(xiàn)象，應(yīng)及時對其進(jìn)行加固維修，必要時可進(jìn)行更換。而在屋檐轉(zhuǎn)角部位位移值較小，主要是由于在木構(gòu)架轉(zhuǎn)角部位木柱間距小，又有抱頭梁、穿插枋等構(gòu)件相互連接，有效地提高了懸挑角梁的抗彎剛度。

3.1.2檁條位移檁條相對屋蓋位移值較小，數(shù)明間上層檐檐檁跨中位移最大，位移值為4.93mm。沿房屋縱向提取上層檐前檐檁各向位移如圖9所示。由圖9可知:各檐檁總位移變化趨勢呈波浪形，彎曲變形對檁條位移起控制性作用，且以豎向位移為主、水平向次之，而沿檁條軸線方向位移很小，幾乎為零。沿檁條軸線和屋頂坡面方向布置有椽子、望板等構(gòu)件，能很好地限制檁條在此方向的變形;而在其他方向，由于坡屋面的存在，屋頂荷載對檁條產(chǎn)生水平分力及豎向分力，使得檁條朝室內(nèi)方向產(chǎn)生彎曲變形。由圖10中明間檁條跨中位移可知，隨著屋面高度的降低，檁條跨中豎向位移及水平位移逐漸增大，說明上部荷載沿屋面逐步向下傳遞，達(dá)到上層檐檐檁時最大。因此，應(yīng)提高檐檁、下金檁等構(gòu)件的抗彎剛度，防止由于檁條產(chǎn)生過大彎曲變形而使屋面局部下沉?？稍谙噜彊_條之間設(shè)置若干拉桿，通過拉桿傳遞檁條之間的荷載，把檁條聯(lián)系起來成為統(tǒng)一整體，使其位移保持一致。

3.1.3木構(gòu)架位移對于木構(gòu)架，提取圖2中的④軸線木構(gòu)架總位移如圖11所示，可知:木構(gòu)架位移值較小，主要以平面內(nèi)彎曲變形為主。在柱類構(gòu)件當(dāng)中，檐柱、里金柱中間部位均朝結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生不同程度的彎曲變形，其中以檐柱變形最為明顯，其底部與地面鉸接，說明在豎向荷載作用下檐柱柱頂產(chǎn)生集中彎矩，造成檐柱向內(nèi)側(cè)彎曲;重檐金柱受到上層檐、下層檐的雙重作用，其位移相對較小。在梁類構(gòu)件中，三架梁與五架梁結(jié)構(gòu)布置合理，梁截面較大，彎曲變形小;抱頭梁和桃尖梁受跨中集中荷載作用，加上梁截面寬度較小，導(dǎo)致其彎曲變形較大，但根據(jù)現(xiàn)行《古建筑木結(jié)構(gòu)維修與加固技術(shù)規(guī)范》(GB50165－92)，其值均小于l2/2100h(l為梁計算跨度，h為梁高)，處于安全范圍之內(nèi)。

3.2內(nèi)力分析

3.2.1檁條受力分析以明間上層檐檐檁為例，提取其各項應(yīng)力如圖12～13所示。由圖12、圖13可知:在屋蓋荷載作用下，檁條剪力呈線性變化趨勢，彎矩呈拋物線形，檁條跨中及端部產(chǎn)生較大彎矩。是由于檁條端部通過榫卯連接方式搭置于梁架之上，在檁條端部形成半剛性節(jié)點，對檁條兩端的轉(zhuǎn)動有一定的約束作用，有效地減小跨中彎矩，檁條受力更趨近合理化。由檐檁受力可知，其跨中最大彎矩折算成正應(yīng)力為2.3MPa，小于木材順紋抗拉設(shè)計值6.0MPa，說明檁條強(qiáng)度富余度較大。對于檁條端部，由于開榫，截面受力面積減小、截面產(chǎn)生突變，造成應(yīng)力集中。故對檁條端部應(yīng)進(jìn)行可靠性鑒定，對端部發(fā)生槽朽、開裂的檁條應(yīng)及時予以維修加固，如更換榫頭、用鋼箍箍緊等。

3.2.2木構(gòu)架受力分析木構(gòu)架是房屋主要承重部分，由分析結(jié)果可知明間兩側(cè)木構(gòu)架受力最大，因此本文提取圖2中的④軸線木構(gòu)架主要內(nèi)力如圖14～16所示。①軸力分析在柱類構(gòu)件當(dāng)中，均表現(xiàn)為壓力，由上到下逐漸增大。以里金柱壓力最大，重檐金柱次之，其最大值分別為198kN和174kN，其荷載通過基石傳向地基。在梁類構(gòu)件當(dāng)中，軸力均較小。其中五架梁軸力為72kN，以剪力形式作用于柱頂饅頭榫并向下傳遞，而柱頂饅頭榫一般較小，因此在此部位易產(chǎn)生較大剪應(yīng)力導(dǎo)致饅頭榫破壞。可在五架梁側(cè)面用鐵件拉緊梁與柱進(jìn)行加固，通過鐵件傳遞部分剪力，以減小饅頭榫荷載。②彎矩分析木柱底部彎矩為零，沿柱身向上均逐漸增大，其中以里金柱柱頂彎矩最大，彎矩值為24.49kN•m。主要是由于木柱與其他構(gòu)件以半剛性榫卯連接，其上部轉(zhuǎn)動受到一定限制。對于五架梁，由于舉架機(jī)制及梁端榫卯連接，其彎矩被分配到梁的各個截面，有效地提高了梁的承載能力。而抱頭梁和桃尖梁在跨中受集中荷載作用，彎矩值較大。③剪力分析剪力較大區(qū)域主要分布于五架梁、桃尖梁、抱頭梁及里金柱柱頂，其他構(gòu)件剪力較小。由于五架梁搭置于里金柱柱頂，其剪力主要以壓力形式傳向木柱。桃尖梁、抱頭梁剪力通過榫頭向下傳向柱類構(gòu)件，但由于榫頭截面比梁截面要小許多，易造成榫頭抗剪承載力不足，且榫頭底面局部抗壓，易導(dǎo)致榫頭橫紋壓縮破壞。梁類構(gòu)件的榫頭是薄弱部位。在維修加固時，應(yīng)注意榫頭是否松懈、存在裂縫及嚴(yán)重變形等問題。若承載力不足，應(yīng)直接更換構(gòu)件或剔除損壞部分更換榫頭，再用鐵箍加固，也可在梁端下側(cè)與柱相交處通過設(shè)置雀替等構(gòu)件傳遞剪力。④木柱橫截面最大應(yīng)力提取檐柱、重檐金柱和里金柱橫截面最大應(yīng)力如圖17所示，其中橫坐標(biāo)為柱橫截面離地面高度。由圖17可知，檐柱和里金柱橫截面最大應(yīng)力變化比較穩(wěn)定，在柱下半部分以軸向應(yīng)力為主，上半部分由軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力共同控制。而重檐金柱上下應(yīng)力變化差異很大，其柱底應(yīng)力為1.62MPa，由軸力引起;柱頂應(yīng)力為5.18MPa，主要由彎矩引起，為典型的大偏心受壓構(gòu)件，其應(yīng)力值均小于木材順紋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值6.0MPa，但由于顯仁殿年代久遠(yuǎn)，木材材性有所退化，且部分截面卯口進(jìn)一步削弱其承載能力，故必要時需對重檐金柱進(jìn)行可靠性鑒定。

4結(jié)論

本文采用有限元數(shù)值分析方法，建立太昊陵顯仁殿結(jié)構(gòu)整體有限元模型，對顯仁殿進(jìn)行自重及活荷載作用下的結(jié)構(gòu)性能分析，得出以下結(jié)論:①顯仁殿屋蓋檐部向外出挑距離較大，在豎向荷載作用下飛椽末端向下產(chǎn)生較大變形，其值為11.24mm，屋檐是結(jié)構(gòu)薄弱部位，易引發(fā)局部殘損，對因此而導(dǎo)致承載力不足或大變形的椽子應(yīng)及時予以維修加固，必要時應(yīng)進(jìn)行更換。②明間面闊較大，且屋面荷載有沿坡面向下傳遞之勢，致使上層檐下金檁、檐檁跨中產(chǎn)生較大位移，引起屋面局部下沉，產(chǎn)生較大集中荷載，易引發(fā)結(jié)構(gòu)殘損，故下金檁、檐檁是結(jié)構(gòu)薄弱部位，應(yīng)提高其抗彎剛度，防止檁條產(chǎn)生過大變形。③檐柱、里金柱和重檐金柱下半部分以軸力為主，受壓力最大;重檐金柱上半部分以彎矩為主，為典型的大偏心受壓，對木材槽朽及存在卯口的截面易因應(yīng)力較大而引發(fā)局部破壞，應(yīng)對該部位進(jìn)行可靠性鑒定。④木梁以彎矩和剪力為主。五架梁因舉架布置合理，彎矩被分配到梁的各個截面，有效地提高了梁的承載能力;桃尖梁、抱頭梁等構(gòu)件受到上側(cè)瓜柱作用，在跨中產(chǎn)生較大彎矩。⑤對于榫卯節(jié)點，榫頭是傳遞剪力的重要部位，易發(fā)生抗剪和橫紋抗壓承載力不足，導(dǎo)致榫頭松動、開裂及嚴(yán)重變形等殘損現(xiàn)象，應(yīng)及時對其進(jìn)行加固維修，必要時可更換構(gòu)件。

作者：童麗萍 鄔偉進(jìn) 單位：鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院