嘉峪關木結構城樓動力響應特性研究

鄒智鵬 薛滕云 劉 璞 劉 娟

（湖南交通工程學院，湖南 衡陽 421001）

0 引言

中國古建筑是世界上歷史最悠久、體系最完整的建筑體系，是中國文化遺產的重要組成部分，其從單體建筑到園林布置都在古代建筑文明中處于領先地位。古建筑城樓是我國古代勞動人民智慧的結晶，具有重要的歷史與文化、科學與藝術價值。然而在長期的自然因素或者人為因素的破壞中，許多古建筑城樓存在不同程度的損傷甚至消失。因此，對古建筑城樓開展保護，尤其是開展預防性保護具有極其重要的意義。

近年來，我國經濟建設的腳步不斷加快，交通產生的激勵振動會對建筑安全造成一定的影響，加之隨著旅游業的興起，絡繹不絕的游客產生的微振動也會給一些極具歷史文化價值的古建筑城樓的安全帶來一定的危害。盡管交通和游客引起建筑的振動較小，但對于古建筑城樓長期的疲勞損傷影響不可忽視。尤其那些上千年的古建筑城樓，由于自然因素以及其他因素使得它們已經存在不同程度的損傷，加之長期反復的微振動作用，容易使古建筑產生裂縫以及變形，對結構安全帶來不利影響[1,2]。

目前關于古建筑城樓的動力特性研究主要采用現場測試與有限元數值模擬相結合的方法。Uchida 等[3]、Kawai等[4]、Minowa等[5]和Fujita[6]等通過動力特性研究得到日本古建筑木塔的動力特性參數；Ono 等[7]和Kameyama 等[8]對日本木結構廟宇開展了動力特性試驗和有限元分析研究。在國內，李世溫團隊對山西應縣木塔開展了數十年研究，包括靜力和動力特性試驗研究和理論分析，取得了一系列成果[9]；俞茂宏課題組對西安東門箭樓開展了動力特性試驗，獲得了古建筑城樓的動力特性參數[10]；趙鴻鐵課題組開展了大量關于古建筑城樓動力特性的試驗研究并取得了豐富成果[11]。

在前人研究的基礎上，本文以嘉峪關古建筑木結構城樓為例，對其開展現場動力特性測試與有限元模態分析，將二者結果進行對比，驗證數據的準確性。研究結果可為古建筑城樓的安全評估提供參考，也可為類似建筑形式的古建筑城樓的地震與風振響應分析方面提供參考。

1 嘉峪關木結構城樓現場動力測試

嘉峪關關城位于甘肅省嘉峪關市，始建于明朝洪武五年（公元1372年），是世界文化遺產。關城共有三座城樓，自西向東依次為關樓、柔遠樓和光華樓。嘉峪關城樓屬于三重歇山頂式建筑，城樓平面布置呈長方形，面闊約12m，進深約8m，總高度約17.2m。城樓總體布置如圖1所示。

圖1 嘉峪關關城總體布置圖

1.1 現場測試

建筑結構動力測試常用的方法有自由振動法、強迫振動法和脈動法。對于結構復雜的大型建筑，例如橋梁、古建筑城樓等，無法采用簡單的自由振動法或人工激勵（強迫振動法）進行分析，只能利用天然脈動如風荷載作為激勵，建筑結構在脈動激勵作用下產生振動，利用動力測試設備即可測得結構的脈動參數。

（1）動力測試設備。

現場動力測試試驗采用CMG-5TCDE一體化智能加速度傳感器，如圖2所示。該設備內部采用Linux系統，可在離線狀態采集和存儲數據，具有高精度和靈活性而廣泛應用于抗震防災、大型振動試驗等。

圖2 CMG-5TCDE加速度傳感器

（2）測點布置。

測點選擇和布置依據《古建筑防工業振動技術規范》（GB/T 50452-2008）和《城市區域環境振動標準》（GB10071-88）中的相關規定進行合理布置。嘉峪關古建筑城樓共三層，且屬于雙軸對稱結構，因此測點布置也采用對稱方式。綜合考慮設備擺放和測量精確性，分別在城樓四角柱位置各布置1個測點，在樓板中部布置2個測點，保證測點布置的均勻性。每層布置6個測點，共布置18個測點。各測點布置如圖3所示。

圖3 城樓測點布置示意圖

對圖片做一定的處理，把圖中的回車符號去掉。

（3）測試流程。

現場動力測試試驗為連續性測試，測試時間選擇游客相對較少的上午7:00-9:00與下午5:00-7:00兩個時間段。首先在城樓內部標定測點，將現場雜物清除干凈放置設備，并調試設備；將儀器數據線連接電腦，啟動SCREAM軟件確認采集頻率、文件輸出間隔等參數。所有準備工作確認無誤后開始采集數據，同時相關人員撤出城樓以免產生干擾振動；各測點數據采集時間為0.5h，之后更換測點。所有測點數據采集完畢后拷出數據并拆除儀器。現場測試如圖4所示。

圖4 現場測試圖

1.2 測試數據處理與分析

（1）城樓振動速度峰值分析結果。

根據《古建筑防工業振動技術規范》（GB/T 50452-2008）規定，國家級文物保護古建筑木結構城樓柱頂水平向容許振動速度為0.18~0.22mm/s，省級文物保護建筑柱頂水平向容許振動速度為0.25~0.30mm/s。嘉峪關古建筑城樓屬于國家級保護建筑，柱頂水平向容許振動速度應以0.18~0.22mm/s為參考。由于篇幅原因，僅取城樓三層四角柱頂振動干擾較少的測點測試結果進行分析。將測點水平振動速度進行匯總，如表1所示。

表1 城樓三層柱頂水平向振動速度表 mm/s

由表1可知，嘉峪關古建筑城樓水平振動速度東西向明顯大于南北向；將測試結果與規范要求值進行對比可得，嘉峪關古建筑城樓水平向振動速度均小于0.18mm/s，在規范限值以內。

（2）自振頻率分析。

采用頻域分析法確定古建筑城樓的自振頻率，現場測試過程中由于游客走動對城樓一、二層的測試結果存在一定干擾，因此僅以受到干擾較小的三樓測點的測試結果為城樓的自振頻率，如表2所示。

表2 城樓前六階自振頻率實測值

2 嘉峪關木結構城樓有限元模態分析

2.1 有限元建模

城樓平面布置呈長方形，面闊約12m，進深約8m，一層高5.2m，二層高4m，三層高8m，總高度約17.2m。檐柱與金柱截面半徑均為0.15m，各層主梁截面尺寸為0.2m（寬）×0.4m（高），檁條截面半徑為0.1m，椽子半徑為0.06m，建模模型尺寸如圖5~圖7所示。

圖5 一層柱網示意圖

圖6 二層柱網示意圖

圖7 三層柱網示意圖

采用ANSYS有限元軟件進行建模，在connections中設置連接方式。根據古建筑傳統工藝做法，城樓磚墻與內部柱子一般留有5cm縫隙，因此建模時不考慮一層磚墻，建模時構件參數設置及連接方式參考文獻[12]，一層磚墻、二三層的樓板和屋面板選用Shell 單元，可用于模擬板狀結構。磚砌墻體與主體結構的連接方式為剛性連接，砌體的E為2220MPa，抗壓強度為3225kPa，抗拉強度為289kPa。檐柱柱腳直接插入地面上的底座與其鉸接，類似于榫卯連接，可選用摩擦隔震器代替，摩擦系數取值為0.5，有效阻尼取值0.05。對于金柱而言，由于厚重墻體的約束作用，可以視為固接。城樓內部的梁、柱、枋、檁和椽子等構件之間采用榫卯連接方式，榫卯連接為半剛性連接，其特點為能承受軸向作用力和彎矩，采用Combine14彈簧單元模擬（可傳遞軸力、彎矩、剪力和扭矩）。最終建立有限元模型如圖8所示。

圖8 城樓有限元模型圖

2.2 有限元模態分析

采用ANSYS有限元軟件，根據子空間迭代法對嘉峪關古建筑城樓進行模態分析，得到城樓前六階自振頻率如表3所示。

表3 城樓前六階自振頻率模擬值 Hz

將現場實測結果與有限元模態分析結果進行對比，如圖9所示。可以看出兩條曲線基本一致，相差最大的為三階自振頻率，差值為27%。

圖9 現場實測與模擬結果對比圖

3 結束語

本文采用現場動力測試與有限元模態結合的方法對嘉峪關古建筑木結構城樓的動力特性進行研究，研究結論如下：

（1）采用CMG-5TCDE加速度傳感器對嘉峪關古建筑城樓開展了動力測試試驗，獲得城樓振動速度、自振頻率等參數，并將城樓柱頂振動速度與規范要求值進行對比，結果表明嘉峪關古建筑城樓振動速度在規范允許范圍內。

（2）采用ANSYS有限元軟件對嘉峪關古建筑城樓進行模態分析，得到結構前六階自振頻率，將模擬值與現場實測值進行對比，二者結果基本一致。

（3）現場實測與有限元模擬結果可為古建筑城樓安全評估提供參考，也可為類似建筑形式的古建筑城樓抗震抗風方面提供參考。