張 宇

(齊齊哈爾大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

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大乘寺后寺配殿抗震性能分析

張 宇

(齊齊哈爾大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

齊齊哈爾是地處6度抗震設(shè)防烈度地區(qū)，結(jié)合大乘寺后寺配殿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究了其抗震機(jī)理，根據(jù)現(xiàn)有相關(guān)的規(guī)范和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，對(duì)后寺配殿的主要構(gòu)件進(jìn)行承載力驗(yàn)算，結(jié)果表明，后寺配殿少部分構(gòu)件截面的承載力不滿足抗震設(shè)防的要求，進(jìn)而提出了一些后寺配殿的抗震加固建議。

大乘寺，抗震機(jī)理，承載力，穩(wěn)定性

齊齊哈爾大乘寺始建于1943年，是60多年前保存最為完整的寺廟建筑之一，它坐落于黑龍江省齊齊哈爾市繁華的市中心，占地面積3.1萬(wàn)m2，是黑龍江省內(nèi)規(guī)模最為宏大的寺廟建筑群。大乘寺分為前寺和后寺，兩寺僅有一墻之隔，其中后寺又分為山門、對(duì)廳、前殿、后殿、配殿等建筑，配殿見圖1。本文以后寺配殿為研究對(duì)象，對(duì)其抗震機(jī)理進(jìn)行分析，并對(duì)后寺配殿的結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行承載力驗(yàn)算，得到一些加固措施的建議。

1 結(jié)構(gòu)抗震機(jī)理

1)臺(tái)基的抗震機(jī)理。臺(tái)基也叫基座，指的是木結(jié)構(gòu)的古建筑地基與柱底間用磚或石包裹的部分，沿邊角設(shè)置的石材起到了嵌角鑲邊的作用，能很好的保護(hù)邊角不被損害，同時(shí)也有效的控制了臺(tái)基的側(cè)向位移，提高了臺(tái)基的穩(wěn)定性[1]。從結(jié)構(gòu)抗震的角度講，臺(tái)基有利于維持上部結(jié)構(gòu)的整體性。臺(tái)基地面將整個(gè)結(jié)構(gòu)與自然地面分隔開，而臺(tái)基充當(dāng)了整個(gè)結(jié)構(gòu)的底座。當(dāng)自然地面和人工臺(tái)基的剛度相差較大時(shí)，臺(tái)基就首先起到了很好的隔震作用，過(guò)濾掉一些地震的峰值。另一方面，臺(tái)基相對(duì)柱子尺寸較大，能使基底的受力更加均勻，有效減少不均勻沉降。

2)鋪?zhàn)鲗拥目拐饳C(jī)理。鋪?zhàn)鲗又傅氖侵驅(qū)优c梁架層中間部分的過(guò)渡層，承受屋蓋的荷載并轉(zhuǎn)化成集中荷載傳遞到柱框?qū)樱M(jìn)而傳遞到基礎(chǔ)。由于鋪?zhàn)鲗颖旧砣嵝缘奶攸c(diǎn)，它可以有效的防止震動(dòng)和沖擊，通過(guò)層間的滑移和變形來(lái)吸收震能。斗拱是鋪?zhàn)鲗拥闹匾M成部分，一般放在梁下部并向兩邊挑出，斗和拱是兩個(gè)基本構(gòu)件，以彈性較好、材質(zhì)比較均勻的松木、柏木為主要材料。在外力作用下，斗拱的整體可以橫豎兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，它從受力角度看類似于彈簧減震支座，有一定的緩沖和減震的作用，能有效的防止應(yīng)力集中，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[2]。

2 抗震承載力驗(yàn)算

2.1 計(jì)算簡(jiǎn)圖和基本假定

后寺配殿的結(jié)構(gòu)形式為3層磚木結(jié)構(gòu)，主體為抬梁式木框架結(jié)構(gòu)體系。3層橫縱向均有一跨，跨度為2 330 mm，柱高H3=2 700，柱直徑d=230 mm；2層橫縱向均有一跨，跨度為2 790 mm，柱高H2=3 000，柱直徑d=230 mm；1層橫縱向均有3跨，跨度依次為800 mm,3 240 mm,800 mm，木柱柱高H1=3 690 mm，柱直徑d=230 mm。首層的計(jì)算模型和計(jì)算單元的選取如圖2，圖3所示。各層邊柱采用磚墻包柱形式，受到墻體的約束作用，提高了一定的抗側(cè)能力，故柱底簡(jiǎn)化為固定。而柱頂端，由于抬梁與木柱之間沒有強(qiáng)錨固約束，故柱頂簡(jiǎn)化為鉸接形式。橫向框架梁視為剛性無(wú)窮大構(gòu)件，即在側(cè)向水平荷載作用下忽略其自身彈性變形，各柱柱頂水平位移相等。

2.2 重力荷載代表值

根據(jù)大乘寺后寺配殿的實(shí)測(cè)圖紙，考慮計(jì)算單元并且結(jié)合GB 50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[3]，經(jīng)計(jì)算得到的豎向荷載值如表1所示。

表1 豎向荷載值 kN

2.3 水平地震荷載

根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[4]可知齊齊哈爾地區(qū)為6度抗震設(shè)防地區(qū)，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)分組為第二組。后寺配殿的安全等級(jí)為一級(jí)，按照乙類建筑來(lái)計(jì)算。規(guī)范提出的計(jì)算方法是底部剪力法對(duì)橫向水平地震作用進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)柱子的抗側(cè)移剛度進(jìn)行剪力分配求得各柱子剪力，最后根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求得柱底彎矩。

根據(jù)《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》[5]中關(guān)于地震周期的計(jì)算公式得出：

T1=0.05+0.075H=0.05+0.075×4.635=0.398 s。

查《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》得Tg=0.35，αmax=0.04，由于T1>Tg，根據(jù)地震影響系數(shù)曲線可知，α1=ηαmax=0.95×0.04=0.038。

根據(jù)《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》公式(4.2.3)計(jì)算地震作用，有FEK=0.72α1Geg，其中Geg=1.15GE，則:

FEK3=0.72×0.038×1.15×436.35 kN=13.73 kN；

FEK2=0.72×0.038×1.15×915.85 kN=28.80 kN；

FEK1=0.72×0.038×1.15×1 957.6 kN=61.60 kN。

2.4 構(gòu)件的內(nèi)力計(jì)算及內(nèi)力組合

由于3層結(jié)構(gòu)屬于內(nèi)縮式框架，而且柱子數(shù)目不同，所以應(yīng)分層計(jì)算。3層及2層均有4個(gè)邊柱，1層有16個(gè)柱子，受力按中柱和邊柱分別均勻受力。

據(jù)每根柱受荷面積計(jì)算出恒載作用下各柱承擔(dān)的軸力NGki，3層和2層柱子對(duì)稱，故N3Gk1=N3Gk2=N3Gk3=N3Gk4=30.3 kN；同理N2Gk1=N2Gk2=N2Gk3=N2Gk4=123.25 kN。

1層邊柱：N1Gk1=53.15 kN；1層中柱：N1Gk2=106.3 kN。

根據(jù)《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》取活荷載為不上人屋面荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.7 kN/m2，上人屋面荷載標(biāo)準(zhǔn)值2.0 kN/m2。

則根據(jù)每根柱受荷面積計(jì)算出活載作用下各層柱承擔(dān)的軸力NQki為：N3Qk=1 kN;N2Qk=4 kN；1層邊柱：N1Qk1=2.35 kN；1層中柱：N1Qk2=4.69 kN。

柱內(nèi)力控制截面取柱底截面，并考慮抗震設(shè)計(jì)內(nèi)力組合和非抗震設(shè)計(jì)內(nèi)力組合，具體組合情況如表2和表3所示。

表2 3層和2層各柱彎矩和軸力組合

表3 1層各柱彎矩和軸力組合

2.5 構(gòu)件截面承載力驗(yàn)算

根據(jù)已求出的各柱最不利內(nèi)力，根據(jù)GB 50005—2003木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]查得相關(guān)計(jì)算參數(shù)和計(jì)算公式，校核各木柱強(qiáng)度以及穩(wěn)定性是否滿足要求。

3層柱抗壓彎強(qiáng)度的驗(yàn)算中最不利內(nèi)力M=12.1 kN·m，N=41.9 kN，圓柱d=230 mm2，查規(guī)范得到各參數(shù)如下：

γ0=1.1，fm=17×0.9=15.3 N/mm2,fc=15×0.9=13.5 N/mm2，fv=1.6×0.9=1.44 N/mm2。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]中壓彎強(qiáng)度計(jì)算公式：

(1)

將各參數(shù)代入，計(jì)算如下：

故3層柱的抗壓彎強(qiáng)度滿足承載力要求。

穩(wěn)定性驗(yàn)算中各參數(shù)如上，根據(jù)如下公式計(jì)算：

(2)

故3層柱穩(wěn)定性滿足要求。

1層中柱穩(wěn)定性滿足要求，抗壓強(qiáng)度滿足承載力要求。

3 工程加固設(shè)計(jì)建議

大乘寺后寺配殿框架抗震承載力不完全滿足要求，經(jīng)計(jì)算后寺配殿各柱進(jìn)行加固處理后的2層柱直徑滿足d≥300 mm，1層邊柱進(jìn)行加固處理后的邊柱直徑滿足d≥310 mm，即可滿足抗震承載力的要求。為了最大程度的保持古建筑的價(jià)值，加固施工應(yīng)盡量不破壞原有結(jié)構(gòu)，因此不可大面積置換原有構(gòu)件，根據(jù)這個(gè)原則對(duì)后寺配殿進(jìn)行以下的加固：1)增加柱的總截面面積是最為有效的加固方法，提高柱子強(qiáng)度的同時(shí)還能增加穩(wěn)定性?？稍谀局c墻體交接的位置設(shè)置構(gòu)造柱，必要時(shí)在原結(jié)構(gòu)柱兩側(cè)布置構(gòu)造柱，然后沿柱子高度方向每隔一定距離設(shè)置拉結(jié)鋼筋。研究表明單側(cè)布置構(gòu)造柱時(shí)強(qiáng)度提高了40%以上，雙側(cè)布置構(gòu)造柱時(shí)強(qiáng)度提高了50%～110%，后寺配殿需要加固的柱采用單側(cè)布置構(gòu)造柱即可滿足強(qiáng)度要求，為了大限度提高整體穩(wěn)定性，采用雙側(cè)布置，構(gòu)造柱直徑為200 mm。2)基于大乘寺后寺配殿的部分柱子或柱子的部分截面存在著裂縫和腐蝕的情況，橫向約束法也是一種非常行之有效的方法?？稍谥有枰庸痰牟课换驖M柱間斷環(huán)箍玄武巖纖維布，粘結(jié)劑為纖維布配套環(huán)氧樹脂。研究表明以100 mm為間距粘貼纖維布單層加固時(shí)承載力可提高10%～20%，后寺配殿采用間距為70 mm雙層布置纖維布即可滿足承載力的要求。3)為了更好的保證后寺配殿的抗震性，還應(yīng)加強(qiáng)一些細(xì)部構(gòu)造上的維護(hù)措施。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)齊齊哈爾大乘寺后寺配殿進(jìn)行抗震機(jī)理的分析。柱底的臺(tái)基起到了隔震減震的作用，并給予柱子足夠的錨固力。柱頂鋪?zhàn)髟拈久w系和斗拱也具有足夠的彈性，起到一定的緩沖作用。通過(guò)現(xiàn)有抗震規(guī)范和古建筑規(guī)范中的相關(guān)要求對(duì)后寺配殿的主要構(gòu)件進(jìn)行抗震承載力的復(fù)核，發(fā)現(xiàn)邊柱的承載力不滿足計(jì)算要求，進(jìn)而給出了增設(shè)構(gòu)造柱和粘貼纖維布等加固設(shè)計(jì)建議。

[1] 權(quán)吉柱.木結(jié)構(gòu)古建筑殿堂型結(jié)構(gòu)的耗能減震機(jī)理分析[D].西安:西安建筑科技大學(xué)，2007：13-21.

[2] 李國(guó)強(qiáng)，李 杰，蘇小卒.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009：27-91.

[3] GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4] GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] GB 50165—92，古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范[S].

[6] GB 50005—2003，木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Seismic behavior analysis of the back hall in Dacheng temple

Zhang Yu

(SchoolofArchitectureandCivilEngi.,QiqiharUniv.,HeilongjiangQiqihar161006,China)

Qiqihar is located 6 degree earthquake intensity area, study its seismic mechanism combined with the structure characteristics of Dacheng temple. Then calculating the bearing capacity to the main components of the hall combined with the existing relevant specification and design guidelines, the results show that the bearing capacity of a small part of components section does not meet seismic requirements, and then puts forward some opinions in view of the back temple hall in seismic strengthen aspects.

Dacheng temple, anti-seismic mechanism, bearing capacity, stability

1009-6825(2016)24-0047-03

2016-06-11

張 宇(1988- )，男，碩士，助教

TU352

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