北方聚落鋼筋混凝土仿古牌樓設計與安全分析

田莉梅 朱海珍 張官盟 張景華

【摘? ?要】? 以傳統的鋼筋混凝土仿古牌樓（四柱三間）為例，在水平地震力和風荷載共同作用下，通過有限元軟件對鋼筋混凝土仿古牌樓的安全性進行分析評價，找出薄弱點并提出安全措施，為仿古牌樓的設計與施工建造提供參考。

【關鍵詞】? 鋼筋混凝土；仿古牌樓；安全評價

Design and Safety Analysis of Reinforced Concrete Archway

in Northern Settlements

Tian Limei 1， Zhu Haizhen1， Zhang Guanmeng2， Zhang Jinghua2*

（1. Langfang Normal University， Langfang 065000， China；

2. China Petroleum Pipeline Engineering Corporation， Langfang 065000， China）

【Abstract】? ? This paper takes the traditional reinforced concrete antique archway （with four pillars in the front direction， with three space in the middle） as an example. Under the combined action of horizontal seismic force and wind load， the safety of reinforced concrete antique housing window is analyzed and evaluated through finite element software， and the weak points are found out and the safety measures are proposed to provide reference for the design and construction of antique archway.

【Key words】? ? ?reinforced concrete; antique archway; safety evaluation

〔中圖分類號〕? K928.71? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2023）01- 0065 - 05

0? ? ?引言

牌樓，亦名牌坊，最初是從中國古代門闕類的建筑形式中獨立出來［1］，逐步發展成形式、功能多元化的獨立建筑形式，遍布中國甚至華人所在的世界各地，經常作為建筑群軸線上的開端或建筑群的序景，有著重要的標示作用。現代城市建設中牌樓多作為傳統特色的標志物，建于風景區或街區等入口位置，多為鋼筋混凝土結構。近年來，部分牌樓發生了垮塌、頂冠墜落等事故。本文采用有限元分析軟件在水平地震力和風荷載作用下，對鋼筋混凝土仿古牌樓的冠頂和下部框架結構進行數值模擬分析，對其安全性進行評價，為仿古牌樓的設計和施工提供參考。

1? ? ? 仿古牌樓的現狀及存在的問題

傳統牌樓建筑的平面呈一字形，無依無傍，其能數百年不傾覆，關鍵是因為采取了一定的技術措施［2］，如柱子、基礎深埋、下架應用夾桿石、戧桿支撐、上架大挺鉤支撐等［3］。仿古牌樓多為鋼筋混凝土結構［4］，彰顯傳統建筑文化的魅力。但是，近年來由于狂風暴雨等極端天氣增多，導致有些傳統聚落的仿古牌樓倒塌、冠頂墜落等事故發生，給人們的生命財產造成嚴重威脅。從破壞情況看，仿古牌樓設計存在缺陷，確保安全的配筋情況以及抵御風荷載和地震荷載的結構強度不夠。

2? ? ?工程概況

2.1? ?四柱三間鋼筋混凝土仿古牌樓設計

以應用較廣的四柱三間七樓仿古鋼筋混凝土牌樓為工程背景進行研究。牌樓平面、立面及剖面如圖1、圖2所示，柱子截面尺寸為500mm×500mm；板厚80mm。采用有限元軟件MIDAS GEN 2019 V2.1進行結構受力分析，為工程應用提供安全保障。

2.2? ?計算原理與參數設置

四柱三間C30鋼筋混凝土仿古牌樓位于河北省石家莊市某縣，7度 0.1g 第二組場地類別Ⅱ類（假設）。基本風壓[w0=0.35kN/m2]，按城郊B類（假設）。風壓高度變化系數取20m，[μz=1.23]，迎風面體型系數[μs=1]，考慮風振系數[βz=1.2]，則有：

[wk=βzμzμsw0=1.2×1.23×1×0.35=0.5166kN/m2]，牌樓力學分析模型中相應的物理力學參數如表1所示。

對牌樓冠頂和框架分別單獨建模，荷載輸入時，考慮古建筑施工工藝做地仗及油飾彩繪等做法，取1.05倍自重。冠頂計算完成后，把其支座處的荷載標準值以節點荷載（恒載）形式輸入牌樓框架相應節點上。牌樓整體、冠頂及底部框架三維模型如圖3、圖4、圖5所示。

2.3? ?荷載組合

對牌樓冠頂進行風荷載作用計算、自重荷載作用計算下，對牌樓底部框架進行風荷載、自重荷載和冠頂荷載組合工況下力學分析，牌樓冠頂荷載組合及牌樓底部框架荷載組合見表2和表3。

3? ? ?鋼筋混凝土仿古牌樓的應力分析

3.1? ?下部框架結構應力計算分析

在重力荷載、風荷載、地震荷載作用下，根據荷載組合進行應力分析計算，荷載組合包絡值作用下的應力圖如圖6、圖7所示。

主框架應力值最大處位于框架柱底部，應力值為-9048.88kN/m2，應力值最小處位于框架柱頂部，應力值為-116.21kN/m2。

主框架板單元應力值最大處位于平板枋、大額枋與框架柱交接處，應力值為4450.81kN/m2，應力值最小處位于框架柱頂部，應力值為48.79kN/m2。

3.2? ?上部冠頂應力計算分析

冠頂1、2、4、6的應力計算云圖如圖8、圖9、圖10和圖11所示。

冠頂1、冠頂4、冠頂6最大應力均位于支座處，冠頂1最大應力為16438.71 kN/m2，冠頂4最大應力為17800.61 kN/m2，冠頂6最大應力為3948.34 kN/m2。

冠頂2最大應力位于支座以及與之相連的平板枋處，最大應力為1277.14kN/m2。

4? ? ?鋼筋混凝土仿古牌樓的位移分析

4.1? ?下部框架結構位移計算分析

在重力荷載、風荷載、地震荷載作用下，根據荷載組合進行位移分析計算，荷載組合包絡值作用下主框架位移圖如圖12-圖14所示。

主框架在x、y、z方向的位移中，y方向位移最大；在三個方向位移等值線圖中，位移最大部位均在與冠頂連接的平板枋處，此處位移最大值為0.046m。

4.2? ?上部冠頂結構位移計算分析

上部冠頂位移計算模型如圖15所示，以冠頂1為例，位移等值線如圖16-圖18所示。

計算可知，上部冠頂1在x、y、z方向的位移中，z方向位移最大，y方向位移次之，x方向位移最小；在z方向位移等值線圖中，位移最大值位于頂板邊緣處，此處最大值為0.016m；在y方向位移等值線圖中，位移最大值位于屋脊處，此處最大值為0.010m。

5? ? ? 結論

（1）經過應力計算分析發現，牌樓結構承擔荷載的薄弱點及最易產生強度破壞的位置為：框架柱底部應力最大，最大有效應力為9048.88 kN/m2；冠頂支座處和與之相連的平板枋部位應力最大，其中冠頂4支座處最大應力為17800.61 kN/m2，冠頂2最大應力位于支座與平板枋處，最大應力為1277.14kN/m2。

（2）經過位移計算分析發現，牌樓結構位移較大的位置為：主框架位移最大值出現在冠頂與平板枋的連接部位，此處位移最大值為0.046m；各冠頂位移最大值位于牌樓冠頂的脊檁處及屋面板邊緣處，最大值分別為0.016m、 0.010m。

基于以上分析，設計牌樓時，應遵守強節點弱構件的抗震設計基本原則，增大冠頂與底部框架連接處支座截面；重視冠頂頂板強度和連接節點設計，進行充分有效的受力計算分析和位移計算分析，根據計算結果，采用合適的材料、截面和節點連接形式，以確保牌樓的安全。

［參考文獻］

［1］常亞平，劉建昭. 山西鄉村牌樓［N］. 太原日報，2021-12-08（7）.

［2］ 毛東建.某石牌樓被車輛撞擊后損傷有限元分析［J］.江蘇建筑，2022（3）：38-41.

［3］ 木混結構仿古牌樓施工工法［C］//.第二屆營造技術的保護與創新學術論壇會刊，2010：45-47.

［4］ 姜磊，程建軍.混凝土仿古建筑設計與施工［J］.施工技術，2013，42（14）：106-108.