应县木塔抗震修缮两用钢塔架在罕遇地震作用下的性能研究.pdf

第六届全国现代结构工程学术研讨会应县木塔抗震修缮两用钢塔架在罕遇地震作用下的性能研究李海旺秦冬祺马庆如( 太原理工大学土木系，太原，0 3 0 0 2 4 )提要：应县木塔在修缮之前或修缮过程之中，若遇突发自然灾害，这千年的古塔可能毁于一旦因此，在分层抬升维修方案中，如何利用修缮木塔的钢塔架来保护木塔，使钢塔架起到既抗震又修缮的双重作用，确保木塔在修缮前和修缮中的安全成为应县木塔修缮过程中的关键问题之一本文采用振型反应谱法和时程法两种方法，借助于大型有限元程序A N S Y S 5 ．7 ，对木塔修缮过程中的钢塔架进行了动力分析，得到了修缮过程各阶段结构的自振特性、位移分布和基底剪力结果表明：钢塔架在木塔分层抬升、临时固定、纠偏扭转和降落复位等修缮全过程中均可安全可靠地进行工作，为木塔修缮中在强震作用下的安全提供了保证关键词：结构工程，古建筑，应县木塔，抗震修缮，地震响应．‘‘．—J 一一、月I J 吾应县木塔一佛宫寺释迦塔，坐落在山西省应县的佛宫寺内至今已有九百多年的历史，是世界上仅有的年代最久、保存完好、楼层最高的阁楼式木塔，堪称世界木结构的奇迹，因而具有重要的文物价值、历史价值和艺术价值u 。

然而它毕竟经历了近千年沧桑、风雨侵蚀、地震灾害、战火袭击以及近千年的材质老化，使木塔构件伤痕累累木塔存在的问题是多方面的，主要表现为：塔身内外槽柱网倾斜、扭曲；塔身下部梁架多处出现水平位移、劈裂、拔榫；梁伏严重劈裂损伤；塔身下部柱额枋木严重挠曲、折断；槽柱多数倾斜、扭转等旧H 引特别是近年来沙尘暴的袭击，木塔损伤的速度加快，已引起国内外和工程界的广泛关注我国许多古建筑专家和从事结构研究的学者，多次会聚应县木塔，讨论木塔的现状和残损状况，并形成共识：当前应县木塔构架体系已处于较严重破坏、多种疾病缠身、险情不断发展、潜伏坍塌的可能性很大，已到了非修不可的地步，迫切需要大幅度的、彻底的维修才能使这一世界瑰宝继续延续下去因此，枪救木塔，刻不容缓据不完全统计，来自全国各地的维修方案达1 0 0 余种其中国外的许多公司，如德国工程设计咨询公司、美国三维有限公司等都提出了相应的维修方案早在十余年前，太原理工大学和山西省古建筑保护研究所就开始了木塔的抗震修缮准备工作首先对木塔的现状进行了大量实测和实验研究工作，得到了木塔残损状态的第一手资料和木塔损坏的发展速度在此基础上，提出了分层抬升修缮方案，并对其技术细节开展了试验研究。

经过全国古建、结构等各方面专家的多次论证，认为该方案是修缮木塔的可行方案之一该方案根据木塔修缮特点、场地施工条件和对文物保护要求，历经十余次修改，最后形成图l 所示的结构方案本文针对该结构方案在罕遇地震作用下的性能进行了深入细致的研究，为该方案的论证和若干技术细节的处理提供了依据二、计算模型( 一) 钢塔架的主要组成部分钢塔架的外形为八边形的双层钢筒构架，外径为3 6 ．2 6 m ，塔高7 5 ．0 m ，在2 2 m 以上为垂直筒，以下为斜直筒，不仅与木塔的外形相适应，而且便于木塔的防护和修缮其主要组成部分有：内筒和外筒柱、环工业建筑2 0 0 6 增刊3 8 l第六届全国现代结构工程学术研讨会向梁和径向梁，构成钢塔架的主要承重部分；抬升梁和内支架柱用于放置被抬升的上部木塔；腰桁架和帽桁架分别用来加强变截面的强度、刚度和减少塔顶的侧向位移；顶层米字桁架用于起吊上部木塔；还有屋盖及其他支撑体系等构件，共同组成一个刚度较大、稳定的空间钢架体系考虑到木塔维修的时间较长，为避免雨、雪的侵入，钢塔架做成全封闭的构筑物 a ) 1 ／8 模型( b ) 塔架的正视图( c ) 塔架的俯视图图1 钢架的有限元模型( 二) 模型的简化质量的简化：在修缮过程中，将被抬升的上部木塔放置在抬升梁上，将抬起的木塔部分视为集中质量作用在抬升梁上。

此外，在高度为1 7 ．0I n 、2 2 ．0m 、3 2 ．0i n 、4 7 ．0m 和7 1 ．0m 的各层上均设置有工作平台，将这部分的质量等效作用到相应的径向梁上同样，将抬升机的质量视为集中质量作用在内、外筒的柱子上基础的简化：基础为八边形梁板式筏基，放置在桩基之上，钢塔架与基础采用刚性连接在计算中，没有考虑钢塔和基础的共同工作，而是将钢塔架的柱底视为固定约束计算模型：在计算中采用了3 种单元类型，即梁单元、杆单元和质量单元，共计单元数5 9 1 2 个，其自由度总数为1 1 2 8 6 个三、自振频率和振型( 一) 结构频率结构自振频率见表l ，典型振形如图2 所示表1自振频率( - - ) 振型及其特点( 1 ) 第1 、2 振型为平动振型，第3 振型为扭转振型，其他的振型均为复杂的空间振型，充分体现了空间构架的动力特性 2 ) 2 0 个频率中有6 对的值几乎相同，但他们却对应各自的振型，充分反映了对称结构的动力特性的特点工业建筑2 0 0 6 增刊3 8 2第六届全国现代结构工程学术研讨会( 3 ) 由振型图可见，钢塔架的刚度变化较均匀，无刚度突变现象，但2 2 m 以下的刚度较大。

4 ) 钢架的基本自振周期、特征周期和木塔的实测周期的比较见表2 ：( a ) 第1 振型( b ) 第3 振型( c ) 第5 振型( d ) 第9 振型 图2 振型图表2周期比较由表2 可见，各周期相差甚远，在地震作用下不会引起共震现象四振型分解反应谱和时程分析法的计算结果应县木塔位于频繁的地震区，建成迄今已经历了两次大地震第二次地震高潮距今已3 0 0 余年，目前正处在第三次地震高潮期近年来，大同地区连续发生5 ’6 级地震，应县震感强烈，木塔底层泥墙又出现新的裂缝达十余起而木塔的维修期较长，必需考虑木塔在维修过程中钢塔架的抗震验算，确保木塔在修缮期间的安全 ( 一) 基本参数根据应县木塔的专家会议确定，该结构抗震设防烈度为7 ．0 度，考虑弹性计算的罕遇地震，应县的设计地震分组为第一组，I I I 类场地土，特征周期T 0 ．4 2 s ，阻尼比取为0 ．0 2 ，取地震影响系数Q 0 ．7 2 根据以上基本参数，按抗震规范计算了用于该结构的谱曲线由于结构在东西向和南北向对称，故在分析中，只计算了结构沿东西向( x 向) 输入地震作用时的响应在谱的计算中，考虑了结构前2 0 个振型的贡献。

并考虑到水平地震作用的扭转耦联振动影响，采用完全二次型方根法( C Q C ) 进行效应组合根据抗震规范阳1 对重要的建筑需进一步用时程分析法对其进行核算依据上述基本参数，选择了两条实际强震纪录和一条人工模拟加速度波，即E 1C e n t r o 波、宁河波和人工波，如图3 所示分别对上述三条波按加速度3 1 0 m ／s 2 调幅后，相当于应县地区抗震设防烈度7 度( 0 ．1 5 9 ) 的罕遇地震并考虑滞后阻尼的影响，取计算时间步长为0 ．0 2 s ，持续时间为1 4 s ，而该结构的基本周期为0 ．8 1 8 s ，故满足了规范∞1 确定的持续时间为5 ’1 0 倍基本周期的要求 二) 最大位移响应和层间位移角当沿结构的X 方向输入加速度谱和地震波时，结构的位移响应均以X 方向为主，在谱和三条地震波作用下，钢塔的最大位移响应均发生在塔顶，其最大值见表3 对应的时程曲线如图4 所示图5 为钢塔的整体变形由计算结果和表3 、图5 可见：( 1 ) 从整体变形图可见，在罕遇地震作用下，钢塔的位移响应沿高度变化均匀，表明结构的抗侧刚度变化合理工业建筑2 0 0 6 增刊3 8 3第六届全国现代结构工程学术研讨会( 2 ) 各层层内节点的位移响应相近，相差在5 ％以内。

表明塔架在层平面内的刚度较大满足规范哺1 要求和木塔修缮工艺要求 3 ) 用两种计算方法所得的位移响应不仅变形规律相同，而且，最大位移响应值也接近( 除宁河波外) 可见地震波的选取合适，两种方法相互得到了验正 ( 4 ) 由表3 可见，其中以E L 波作用下的位移和层间位移角最大，表明用时程分析补充验算的必要性而宁河波的响应最小，在以后的分析中将省略 5 ) 由表3 的层间位移角可知，均满足规范规定Ⅲ的限值1 ／2 5 0 的要求量 楼 趟4 0 0．2 0 0官当0《～2 0 0- 4 0 0【u I l - I l I | ‘I L h ▲■．．．11 r l l l 阿1 曙吓P ”⋯2 0 a ) E LC e n t r o 波3 0( c ) 人工波4 0 02 0 0鲁兰0《一2 0 0—4 0 0表3 位移最大响应( b ) 宁河波图3 地震波T ，s————2 5罢 滁 毯( a )( E L 波)( b )( 人工波)图4 顶层柱顶位移时程曲线工业建筑2 0 0 6 增刊3 8 4一～，IⅡ当uu《第六届全国现代结构工程学术研讨会( a ) 最大位移时刻变形( b ) 谱分析时的变形( 人工波)图5 钢塔的整体变形图量 挺 蜷疋。

蘑 I文t 韶，≯一▲一E L 波 { ∥一：蕊罄一人工汝投扩⋯位移图6 钢塔柱X 向位移包络图( 三) 柱位移响应包络图塔架的柱是主要承重构件，它们的位移响应基本能反应整个塔架的情况，故将柱的位移响应包络图绘于图6 中由图可见：( 1 ) 两条波的时程分析和谱分析的曲线变化规律完全相同 2 ) 包络图曲线呈剪弯型变化，其上有两个反弯点表明在地震作用下，腰桁架和帽桁架的设置引起了反弯点的出现和项部的反向运动，起到了阻止和限制塔架侧向位移的作用 四) 层剪力包络图剪力分布规律是地震水平作用下结构内力的整体反映，图7 为两条波作用下剪力沿高度分布曲线其中系列l 和2 分别代表人工波和E L 波的响应，其剪力沿高度变化较均匀，表明结构无刚度和质量的突变现象其中E L 波的剪力响应较大00 0 0 ．敷列1数列2力，NO E + 010 ．O E + 62 0 ．0 E + 63 0 ．0 E + 6图7 剪力晌应包络图( 五) 各主要构件的内力钢塔架的主要构件包括柱、环梁、径梁、抬升梁，以谱分析的计算结果为例，将它们的最大内力和发工业建筑2 0 0 6 增刊3 8 5000O8642Ⅲ，恒蜷第六届全国现代结构工程学术研讨会生位置列于表4 。

表4 构件最大内力及所处位置由表4 可见，结构最大内力所发生的位置均在2 2 m 和3 2 m 处在2 2 m 处，结构形状发生突变，引起刚度的较大变化：而在3 2 m 处则是抬升梁所在的位置，有较大的集中质量，至使内力响应增大五结论上述用谱分析和时程分析两种计算方法，对修缮应县木塔的钢塔架进行了地震效应的研究，得到如下结论：( 1 ) 钢塔架设计为八边形双层钢简，与木塔具有相同的平面形状，为抗震和修缮木塔提供了方便 2 ) 钢塔架和场地的特征周期相差很大，不会因地震作用而引起共振现象 3 ) 钢塔架具有较大的抗侧刚度，能保证木塔在修缮过程中的安全 4 ) 腰桁架和帽桁架的设置对限制和减小钢塔的侧移起了至关重要的作用 5 ) 两种计算方法所得的位移和内力响应值接近，表明计算结果正确参考文献( 1 ) 陈明达．应县木塔0 订) ．北京：文物出版社，1 9 6 6 ．( 2 ) 李世温，王晋生，魏剑伟，张文芳．应县木塔抗震性能研究( R ) ．太原理工大学学报，1 9 9 6( 3 ) 李世温，陈正廷．应县木塔载荷研究( R ) ．山西应县木塔办公室，2 0 0 0 ．( 4 ) 李铁英，魏剑伟，张善元，李世温．木结构双参数地震损坏准则及应县木塔地震反应评价( J ) ．建筑结构学报，2 0 0 4 ，2 5 ( 2 )( 5 ) 太原工学院，山西省文物局．应县木塔木材取样试验报告( R ) ．太原理工大学建工学院，1 9 7 9 ．( 6 ) 建筑结构抗震设计规范G B 5 0 0 1 1 - 2 0 0 1 ．北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 1( 7 ) 高层民用建筑。