古城墻的抗震分析

摘 要：文章研究的古城墻位于地震多發(fā)帶，歷史記載本地區(qū)經(jīng)歷了多次地震。但在地震作用下城墻表現(xiàn)出了良好的抗震性能。文章利用ANSYS有限元軟件研究了城墻在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應，即研究城墻的抗震特性，可以為古城墻的維護和修繕提供模型依據(jù)。

關(guān)鍵詞：古城墻；抗震分析；有限元

中國古城墻是我國古代建筑的杰出代表，各地現(xiàn)存的古城墻不僅具有寶貴的文物價值，也具有極高的科研價值。我國的古城墻經(jīng)過長期發(fā)展與歷史的考驗，基本上是抗震的。一些典型的古城墻，如西安古城墻、南京古城墻等[1]，歷經(jīng)多次大地震尚保持完好，顯示了較好的抗震性能。然而，較多的古城墻由于多年的風雨侵蝕，抗震能力較差，難于經(jīng)受或再次經(jīng)受地震的襲擊。如平遙古城墻等，曾因地震、戰(zhàn)爭等因素造成較大程度的損壞[2]。我國是一個多地震的國家，地震動對各類建筑帶來許多災難性的作用。由于古建筑經(jīng)歷了漫長的歲月，在各種自然力和人為的影響下，古建筑的抗震能力很差，不利于古建筑的長期保護。因此需要對古建筑進行抗震加固。

某古城墻是由外包磚和內(nèi)芯夯土組成的復合結(jié)構(gòu)，其中外包磚上寬1m，下寬2m，內(nèi)芯夯土修筑時分層夯實的，外包為石條基礎，墻體外包磚，頂部為30cm厚灰土上鋪城磚。根據(jù)文獻[3，4]，夯土土容重r=19.085KN/m3，強度參數(shù)C=35，φ =40.00。

因為城墻結(jié)構(gòu)比較簡單，并且城墻縱向長度遠遠大于其橫斷面的尺寸，因此在抗震分析中選用單位長度進行平面應變分析。為了限制側(cè)向位移，在模型側(cè)面進行了水平約束的處理。抗震計算的有限元模型如圖1、圖2所示。

地震波采用工程中常用的El-Centro波，沿x方向輸入，阻尼比選取ξ=0.05，得出的典型點的位移-時間曲線和加速度-時間曲線。

模型1選取典型點得到其加速度-時間曲線如圖3所示，和位移-時間曲線如圖4所示。

模型2選取典型點（與模型1選取相同位置的節(jié)點）得到各典型點加速度-時間曲線如圖所示，和位移-時間曲線如圖所示。

從以上各節(jié)點的位移、加速度變化圖中可以看出，在El-Centro地震波作用下，城墻頂面的地震響應較大。通過計算結(jié)果得出1類斷面城墻模型各節(jié)點的地震響應最大加速度達1.48m/s2，垂直地震響應較水平響應小的多（豎向響應0.165m/s2），最大位移值為3.7m。2類斷面城墻模型的地震響應最大加速度達2.34m/s2，最大位移值為5.8m。水平響應作用時間較短。城墻頂部的加速度響應與El-Centro波有很大的變化，頂部的最大加速度較El-Centro的最大加速度大。模型2各節(jié)點位移值較模型1相同節(jié)點位移值大，說明防空洞的存在降低了城墻的抗震能力。

從在地震作用下的有限元結(jié)構(gòu)實際響應計算結(jié)果看，由于輸入的地震波為作用在X方向，所以結(jié)構(gòu)在X方向?qū)a(chǎn)生較大的地震響應特性。1類城墻斷面模型在地震作用下，位移的最大響應為3.7mm，加速度的最大響應為1.48m/s2。2類城墻斷面模型在地震波作用下，位移的最大響應為5.8m，加速度的最大響應為2.34m/s2。兩種斷面模型的城墻在8級地震情況下不會發(fā)生破壞。

參考文獻

[1]周俊玲.明南京城墻與安城墻比較研究.西北大學學位論文，2003.

[2]雷雅仙.平遙城墻險情主因初析[J].文物世界，2006.6.

[3]俞茂宏，張學彬，方東平.西安古城墻研究[M].西安交通大學出版社，1993.

[4]趙均海，楊松巖，俞茂宏，等.西安東門城墻有限元動力分析[J].西北建筑工程學院學報，1999年第16卷第4期.