仿古四層大殿結構特點及載荷處理

王建省 戴智彪 王宗澤

北方工業大學土木工程系

仿古四層大殿結構特點及載荷處理

王建省 戴智彪 王宗澤

北方工業大學土木工程系

本文以仿古大殿為工程背景，分析其結構特點，對各層給出了結構布局參數，分析了屋面荷載的工程處理方法，建立了力學分析模型，分別對檐柱層、金柱層、斗栱層、童柱層給出了參考尺寸，載荷方面，分別考慮了樓面活荷載、施工荷載、雪荷載、風荷載的影響，給出了模型的分析結果。

中國古建筑大殿式結構比較多，本研究考慮仿古大殿的結構特點，建立力學分析模型，探討力學受力機理，由此看到古建結構的合理性和科學性。

仿古大殿主體采用的是磚木結構承重體系，完美地體現出了古建的外形及結構特點。整個結構由柱基礎、梁、斗栱、屋架等構件組成，梁、柱以榫卯節點形式連接，結構豎向荷載、水平地震荷載從屋頂傳向梁、柱為基礎的木框架，再傳遞到結構柱基。斗栱傳遞荷載，同時抵抗水平方向地震力作用，檐柱用墻體圍護。結構面闊十間，闊為62.965m，進深五間，深34.80m，正中高24.864m，建筑面積位2381.45m2，采用的是單層磚木結構，外部采用二樣黃琉璃瓦重檐廡殿頂。進行換算之后的尺寸為：面闊方向明間8.901m，次間5.834m，邊間3.702m，進深方向山明間11.734m，次間7.834m，邊間3.702m。

結構特點

仿古大殿屋頂形式為重檐廡殿頂，整個結構氣勢恢宏，莊嚴肅穆，上層屋面采用正脊形式，正脊兩端布局為兩正吻，二正吻重量為4555kg，下層屋面布置為四俄脊四圍脊。

在屋面做法方面，使用2mm厚護板灰，兩層上薄下厚的灰背層覆蓋。梁架表面，由望板、椽子、保溫層、防水層等覆蓋，梁架布局為縱向剛度大于橫向剛度，使得其變形較好地進行協調，但中部剛度使其最小，整體呈柔性體系。廊步架屋面，布局為椽子搭在承椽枋上，柱子根部放置于柱基之上。主體構架，布置74根大柱，東西方向14根，南北8行，使得柱－柱額枋相連。40根上部與40個斗栱互相作用，屋頂由斗栱承托。而斗栱則作為屋蓋與柱架過渡部分，屋蓋自重由額枋傳至柱結構。屋檐之下斗栱向外出挑，以此承挑上部屋檐，室內斗栱則向兩端分別挑出，這樣分散梁枋節點處剪力荷載，避免集中載荷作用。斗栱下檐，為單杪重昂，上檐單杪為4昂。

梁柱之間，采用榫卯連接，采用剛性－鉸接連接方式，使得結構在承受拉壓彎曲及扭轉方面較為合理，盡量分散集中荷載作用，結構變形則介于鉸鏈連接和剛性連接之間，留出其調節空間。

屋面荷載

大殿結構的屋面做法：木基層為52mm厚杉木望板，12道澀腳條，椽子等。上層屋面苫背為3.5mm，厚護板灰82～125mm厚灰背層（白灰）。

瓦作方面，使用琉璃瓦，瓦泥（素白灰）為302mm，屋面恒荷載為結構自重和瓦重的總和。木基層方面，望板為50mm，載荷集度為4kN/m3×50mm=0.2kN/m2，澀腳條為25mm，載荷集度則為8kN/m3×25mm=0.2kN/m2，苫背層方面，護板灰為2mm，載荷集度為17.5kN/m3×2×10－3m=0.035kN/m2，灰背層為80～120mm，載荷集度為12kN/m3×0.1m=1.2kN/m2，素白灰瓦泥為300mm，其載荷集度為12kN/m3×0.3m=3.6kN/m2，屋脊二樣正吻，載荷為4554kg×9.8N/kg×2=89.26kN，集度為0.173kN/m2，琉璃瓦容重0.6kN/m3，綜述，屋面恒荷載集度取為6.008kN/m2。

模型計算

模型為四個標準層，分別對各層進行分析。第一標準層為檐柱層，層高即為檐柱柱高，取為7.9m，檐柱與金柱為一體，和梁進行連接，各檐柱之間的連接采用金三件，檐柱直徑為0.79m，金柱直徑為1.08m。隨梁的尺寸為532mm×632mm，金三件截面尺寸為452mm×1282mm。第二標準層為金柱層，金柱與檐柱的高度差即為層高，取5.5m，額枋尺寸即面闊為514mm×628mm，在進深方向隨梁連接，橫截面尺寸取為532mm×632mm。第三標準層布置為斗栱層。正心萬栱高為1.09m，橫截面為400mm×118.7mm，面闊方向，正心桁截面直徑為427.8mm，進深方向，七架梁尺寸取為722mm×892mm。第四標準層為童柱層，本層高取為5.8m，圓柱童柱直徑69.2mm，面闊方向則為下金桁，取其直徑427.6mm，進深方向采用一跨，用七架梁，其截面為722mm×892m。結構頂層有樓板，模型頂層設為102mm的厚樓板。

對載荷進行組合。標準組合荷載效應的組合設計值公式

Ψf1為可變荷載Q1的頻遇值系數，Ψqi為可變荷載Qi的準永久值系數。對于準永久組合情況，荷載效應組合的設計值為：

地震動反應譜反映了地震動頻譜特征，可用于求解結構最大地震反應。對結構地震反應的基本特征進行研究。采用最大地震影響系數αmax為縱坐標的反應譜，可表示為：

m為結構質量，G為結構重力，Sa為最大絕對加速度，F為體系水平地震力。

參數結果

樓面活荷集度取2.2 kN/m2，組合值系數為0.75，屋面活荷載集度按不上人屋面取0.52 kN/m2，組合值系數為0.72。荷載規范認為，不上人屋面均布活荷載可不與雪荷載和風荷載同時組合。施工荷載不小于1KN，組合值系數為0.7。雪荷載按50年使用年限，北京地區基本雪壓S0取0.4，組合值系數為0.7。風荷載按50年使用年限計算，北京地區基本風壓ω0為0.45 kN/m2，地面粗糙度為C類，風壓高度變化系數μz取1.14，體形系數迎風面μx迎風面為+0.8，背風面取－0.5，陣風系數按C類地區（大城市市區）取值，距離地面15m以內取2.05，距離地面20m取1.99，距離地面30m時取1.90，組合值系數為0.6。其主要結果如表1和表2所示。

表1 三層主要工況下構件內力值

表2 四層主要工況下構件內力值

王建省，男，教授，研究生導師，主要從事力學及土木結構工程研究，主持及參與國家自然科學基金、北京市教委重點項目等10多項，發表論文80余篇；戴智彪（男）、王宗澤（男），結構工程碩士研究生。

國家自然科學基金（11572001，51478004）；北京市2016雙培計劃項目（16007－6）；北京高等學校高水平人才交叉培養實培計劃項目（XN003－29）；北方工業大學開放實驗項目（20160305，20160306）