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        基于ABAQUS的磚石古塔地震響應(yīng)特征研究

        2020-09-17 00:26:38韓峻雯
        福建質(zhì)量管理 2020年17期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        韓峻雯

        (揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院 江蘇 揚(yáng)州 225127)

        一、引言

        中國(guó)作為歷史悠久的文明古國(guó),磚石古塔在我國(guó)建筑史上舉足輕重。而磚石古塔具有自重大、抗拉強(qiáng)度低的特點(diǎn),在地震作用下,磚石古塔易產(chǎn)生塔身開裂、塔底傾斜等破壞,甚至造成塔體折斷、垮塌。

        學(xué)者李小珠[1]采用模態(tài)分析和地震時(shí)程分析得出小雁塔的響應(yīng)特征。學(xué)者張文芳[2]分析了太原舍利生生塔地震破壞形態(tài),得出其破壞機(jī)理。李勝才等[3]通過顯示積分法研究磚石結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制,為古塔保護(hù)提供參考依據(jù)。本文通過有限元軟件建立玄奘塔模型,利用反應(yīng)譜分析,研究其在地震下的響應(yīng)特征。

        二、磚石古塔有限元模型建立

        (一)玄奘塔基本概況。玄奘塔位于陜西長(zhǎng)安縣興教寺院內(nèi),建于唐朝,是現(xiàn)存最早的樓閣型方形磚塔。玄奘塔為磚砌結(jié)構(gòu),塔高21米,平面呈方形,邊長(zhǎng)為5.2m,五層,第一層最高,每層逐層縮減高寬。第一級(jí)塔身南面為磚砌拱門,內(nèi)有方室,供奉玄奘坐像;北面嵌有有關(guān)玄奘生平的銘文。

        (二)材料特性。根據(jù)玄奘塔資料,塔磚標(biāo)號(hào)取MU15,砂漿標(biāo)號(hào)取M0.4。根據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50003-2011),取砌體彈性模量E=700f,其中,f代表砌體抗壓強(qiáng)度,通常情況f的值為1.12Mpa,即砌體彈性模量為:E=700f=784Mpa,砌體密度為1900kg/m3;泊松比γ=0.15。

        (三)幾何模型的建立。磚砌體結(jié)構(gòu)由磚和砂漿組成,兩種材料各向異性,且受到塊體的尺寸、砌縫的厚度等因素影響,故磚砌體結(jié)構(gòu)的建模方式有分離式和整體式兩種。整體式視磚砌體為各向同性的連續(xù)體,忽略磚砌體與砂漿間的相互作用。整體式建模易建立模型和計(jì)算分析,適用于磚砌體宏觀抗震性能的分析,故本文采用整體式的建模方法。

        (四)網(wǎng)格劃分。建模后,需劃分模型網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分過粗時(shí),計(jì)算效率提高,而計(jì)算精度降低。當(dāng)網(wǎng)格劃分過密,則降低計(jì)算效率,而精度較高。因此合理的網(wǎng)格劃分對(duì)模擬至關(guān)重要,該塔網(wǎng)格劃分采用四面體結(jié)構(gòu),共計(jì)生成28398個(gè)單元。

        三、地震反應(yīng)分析

        振型分解反應(yīng)譜法利用單自由度體系的加速度設(shè)計(jì)反應(yīng)譜和振型分解原理,求各階振型對(duì)應(yīng)的等效地震作用,對(duì)各階的地震作用效應(yīng)進(jìn)行組合,得到多自由度地震作用效應(yīng)。根據(jù)規(guī)范,玄奘塔所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為7度,屬Ⅲ類場(chǎng)地,場(chǎng)地特征周期為0.45,多遇地震下水平影響系數(shù)最大值為0.08,可以得到地震影響系數(shù)曲線,將其輸入有限元程序中,選取塔體前10階振型進(jìn)行單向作用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算。

        (一)自振頻率與自振周期。表1為玄奘塔前十階的自振頻率和自振周期,由表可知振型階數(shù)的增大,結(jié)構(gòu)的自振頻率也隨之增大,結(jié)構(gòu)的自振周期隨振型階數(shù)的增大而減小。

        表1 玄奘塔前十階的自振頻率和自振周期

        (二)磚石古塔響應(yīng)特征分析。圖1為玄奘塔結(jié)構(gòu)變形圖,由圖可知該塔水平方向的變形隨著高度增大而增大,該塔的最大水平位移為1.471cm。塔體豎向應(yīng)力最大值為0.38Mpa,未超過材料抗壓強(qiáng)度。圖2所示為古塔一層截面,該截面的剪應(yīng)力的最大值為0.23Mpa,該值超過磚砌體抗剪強(qiáng)度。從圖2中可知塔體的抗剪強(qiáng)度僅在截面邊緣處較大,中間處的抗剪強(qiáng)度小于材料的抗剪強(qiáng)度。因此,當(dāng)古塔在單一方向受到地震作用,不利位置所受損傷有限,古塔不會(huì)因此倒塌。因此,在地震荷載作用下的磚石古塔大都在支座附近處發(fā)生剪切破壞。在對(duì)磚石古塔進(jìn)行修繕和加固時(shí)應(yīng)重視剪應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的影響。

        圖1 玄奘塔變形圖

        圖2 剪應(yīng)力水平剖面圖

        四、結(jié)論

        1.該古塔在單向地震作用下,結(jié)構(gòu)的底座變截面處是應(yīng)力集中處。

        2.剪力會(huì)超過材料強(qiáng)度,發(fā)生局部剪切破壞,而材料抗壓強(qiáng)度滿足要求,沒有出現(xiàn)受壓破壞,但是其安全系數(shù)較低,也需要引起重視。

        3.作為一個(gè)實(shí)心砌體結(jié)構(gòu),該古塔外形規(guī)整,構(gòu)造合理,盡管有局部損壞,但是整體結(jié)構(gòu)抗震性能良好,沒有明顯受力薄弱層,這也是其能夠屹立數(shù)百年而不倒的重要原因。

        4.在對(duì)磚石古塔進(jìn)行維護(hù)時(shí),應(yīng)對(duì)受力薄弱層格外的重視,根據(jù)磚石古塔的地震響應(yīng)進(jìn)行合理有效的加固。

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