王岱龍（聊城大學，山東 聊城 252000）

關鍵字：古建筑；嵌固墻體；光岳樓；木結構；抗震性能

木結構建筑體系是我國古代建筑重要類型之一，主體是由榫卯連接構成的木框架承重體系。在木結構古建筑的山面及后檐兩側都嵌有起圍護作用的厚重墻體。墻體大多為非承重墻，不能承受來自上部結構傳遞的豎向荷載。但在特殊情況下，由剛度較小而使梁構件向下產(chǎn)生撓曲變形或者嵌入墻體的木柱腐爛、蟲蛀導致承載力喪失時，墻體和木構件將共同承受上部結構傳遞的豎向荷載。在地震作用時，墻體與木構架共同變形，但因墻體剛度較大，故墻體承受地震作用要多于木構架。當墻體開裂或倒塌時，地震作用將會逐漸轉移至木構架。

現(xiàn)有研究考慮墻體的木結構整體理論分析及試驗研究較少，且大多數(shù)古建筑有限元模擬都以木構架為地震分析模型，考慮嵌固墻體的有限元分析模型較少。不同于質量輕密度小的木材，墻體厚重且剛度較大，故在地震作用下，嵌固墻體對木構架抗震性能的影響也不可忽視。

光岳樓由高臺基和主樓兩部分組成。高臺基為磚石砌成的正四棱臺，四層主樓筑于墩臺之上，采用木構架承重。墻體厚1.21m，主要分布在一層木構架四周，四個方向各有一個大門。本文對有無嵌固墻體的光岳樓上部木結構進行動力特性及動力響應對比分析，為其他含有嵌固墻體的木結構有限元分析提供依據(jù)。

1 有限元模型

1.1 單元選擇

光岳樓上部帶墻體木結構采用ANSYS中APDL語言進行編程建模，梁柱采用BEAM188單元模擬，屋蓋荷載采用MASS21單元模擬，屋面板及嵌固墻體用SHELL181單元模擬，梁柱榫卯節(jié)點用COMBIN14單元模擬。

1.2 材料參數(shù)

參考同年代順紋方向的木材參數(shù)[1]，根據(jù)《古建筑木結構維護與加固技術規(guī)范》[2]對木材參數(shù)進行調(diào)整修正，依據(jù)《組合結構設計規(guī)范》[3]對彈性模量進行調(diào)整，考慮年限并且修正木材材料參數(shù)[4]。

結合其得出的磚墻砌體等效力學參數(shù)，并參考《砌體結構設計規(guī)范》(GB50003—2011)。本文采用的磚砌體墻材料力學參數(shù)見表1，對屋面板、樓面板根據(jù)面積等效原則等效為作用在相應柱頂?shù)募泻奢d，計算求得柱頂集中質量為4889kg。

表+ 墻體材料參數(shù)

1.3 邊界條件設置

我國木結構古建筑大多通過柱礎連接到基礎，柱根浮擱在礎石之上。在主體結構的重力作用下，礎石可以在垂直和水平方向上提供一定的摩擦力，對柱底旋轉的限制較小。參考高大峰、蘇軍等處理木結構古建筑的連接方法，本文將柱腳與礎石的連接節(jié)點近似簡化為鉸接。

考慮到古建筑的施工技術，在將墻面砌筑在梁的底部時，不采取任何連接措施，而僅使用低標號砂漿填充墻梁之間的細縫，即設置墻體與梁底為普通接觸。模擬柱子-墻體接觸采用線面接觸單元，墻體側邊是采用TARGE169單元模擬的目標單元，柱子是采用CONTA172單元模擬的接觸單元。

按照有無墻體參與工作兩種方式建模，兩種模型見圖1。其中N表示不考慮墻體的結構，N-W表示考慮嵌固墻體的結構。

圖1 光岳樓有限元模型

2 模態(tài)分析

本文采用Block Lanczos法對光岳樓木結構有限元模型進行模態(tài)分析，對于古建筑來講，對其地震作用下模態(tài)分析，是結構動力學分析的基礎。通常情況下高階模態(tài)的權重遠低于低階模態(tài)，一般取前幾階模態(tài)進行分析。

2.1 頻率

對光岳樓上部木結構模型進行模態(tài)分析，獲得不同條件下模型的前10階頻率表2。

表+ 兩種模型前10階自振頻率/Hz

由表2可知，光岳樓有限元模型前10階的頻率均分布至0~10Hz，自振頻率隨階數(shù)增大逐漸增大，嵌固墻體的存在使結構的基頻提高，但對高階頻率的提高不明顯，高階振型自振頻率趨于接近，因此嵌固墻體的存在明顯提高結構的整體剛度，對光岳樓動力性能有顯著影響。

2.2 振型

由軟件分析可知：①無論模型是否考慮嵌固墻體，主振型都在前兩階，一階和二階振型分別表現(xiàn)為縱向振動和橫向振動，三振型階開始扭轉，說明在地震作用下，扭轉振型的發(fā)生在平動振型之后，需要的地震能量也大，因為扭轉破壞對建筑的影響很大，所以在建筑設計的時候盡量避免扭轉振型發(fā)生在前兩階，這樣的情況是一個建筑最適合的情況。如果扭轉振型發(fā)生在第一階或者第二階，說明扭轉比平動更容易發(fā)生（很小的地震能量就行發(fā)生扭轉振型），那么就容易扭轉破壞，那么對建筑物是不利的；②不考慮嵌固墻體時，模型的主振型表現(xiàn)為木構架的整體側移；而考慮嵌固墻體時，在模型周圍嵌入木柱的墻體使得木構架無明顯振動，即嵌固墻體對木構架振動具有約束作用。

3 時程分析

光岳樓結構所在地聊城市的抗震設防烈度為7度（0.15g），設計地震分組為第二組，場地類別為Ⅲ類，特征周期Tg為0.55s，綜合以上因素，選取X向El波持續(xù)時間20s，時間間隔為0.02s的數(shù)據(jù)作用于光岳樓上部木結構，X方向加速度峰為150gal，在進行彈塑性時程分析時，選取二層柱頂（編號383）、四層柱頂（編號949）來研究嵌固墻體對結構位移及加速度的影響。

3.1 加速度

圖2 表示383號節(jié)點與949號節(jié)點的加速度響應曲線，節(jié)點的加速度響應與結構所受內(nèi)力密切相關?？梢缘贸觯孩俨豢紤]嵌固墻體的木構架結構四層柱頂相對于二層柱頂動力放大不明顯，可以反映出榫卯節(jié)點和斗拱具有良好耗能減震作用；②考慮墻體后，四層柱頂和二層柱頂?shù)募铀俣确逯捣糯竺黠@，反映出因考慮墻體的作用，結構內(nèi)力變大。結構頂部產(chǎn)生破壞的可能性增大，內(nèi)力過大對墻體而言可能產(chǎn)生開裂甚至倒塌，對于整體結構來說，由于結構的變形減小導致整體結構倒塌的概率變小。

圖2 節(jié)點加速度響應曲線

3.2 位移

圖3 為位移響應曲線，可以得出：①無論結構是否考慮墻體，節(jié)點383和節(jié)點949的位移響應曲線都是圍繞平衡中心線振動，側面反映了結構穩(wěn)定狀態(tài)的振動情況；②兩個節(jié)點在考慮嵌固墻體的作用后，位移都有所減小，這反映了墻體對于木框架在振動中有明顯的約束作用，且949號節(jié)點相對于383號節(jié)點距離柱子與墻體相交的地方的節(jié)點更近，其位移減小更明顯。由此得出，所選節(jié)點距離一層墻體位置越近，其約束作用越明顯。

圖3 節(jié)點位移響應曲線

4 結語

a.考慮嵌固墻體的木結構基頻大于不考慮嵌固墻體的木構架結構，且考慮嵌固墻體的模型對低階頻率影響顯著，對模型高階頻率影響不大。其原因是嵌固墻體對木構架有一定的約束作用，使帶墻體的模型抗側剛度大于木構架結構。

b.是否考慮嵌固墻體，木結構主振型都在前兩階，一階和二階振型表現(xiàn)為縱向振動和橫向振動，三振型階表現(xiàn)為開始扭轉，嵌固墻體對木構架振動具有明顯約束作用。

c.地震作用下，考慮嵌固墻體對結構有明顯約束作用且距離墻體和柱子相交位置越近，其約束越明顯?？紤]嵌固墻體后，其內(nèi)力明顯增大，位移減小，整體結構抗倒塌性能更好。