仿古木结构抗风安全性检测与评估_卢云祥.pdf

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1、2014 年 2 月下第 43 卷第 4 期施工技术CONSTUCTION TECHNOLOGY31DOI:10.7672/sgjs2014040031仿古木结构抗风安全性检测与评估*卢云祥，王林枫，田涌，冉群(贵州省建筑科学研究检测中心，贵州 贵阳550006)摘要主要研究仿古木结构在风荷载作用下关于结构安全性能的检测、评估方法。针对影响结构安全性的因素，介绍了仿古木结构现场检测及原材料试验的基本内容，讨论了木结构榫卯节点半刚性连接特性及其在有限元计算中的分析模型。以实际工程为例，运用现场检测、原材料试验及有限元技术，对某鼓楼抗风安全性进行了分析。结果表明，现场检测技术与有限元分析方法的有效

2、结合，可为古建筑、仿古建筑的安全评估、维护和修缮提供理论依据。关键词检测;木建筑;安全性;抗风性能 中图分类号TU392.6，TU312 文献标识码A 文章编号1002-8498(2014)04-0031-04Detection and Evaluation of Wind esistant Securityof Antique Wood StructureLu Yunxiang，Wang Linfeng，Tian Yong，an Qun(Guizhou Construction Scientific esearch Testing Center，Guiyang，Guizhou550006，C

3、hina)Abstract:This paper mainly researches on the safety detection and assessment method of antique woodenstructure under wind loads In view of the influence factor of structural reliability，this article describesthe basic content of the antique wooden structure on-site detection and raw material te

4、st，then discussesthe semi-rigid properties and FEA model of wood mortise and tenon joint Taking a actual engineering forexample，the wind resistance safety of a tower is calculated and analyzed by means of on-site detection，raw material test and finite element technology The results show that the eff

5、ective combination of on-sitedetection technology and FEA method can offer theoretical basis for safety assessment，maintenance andrepairment of the antique structureKey words:detection;wooden buildings;safety;wind resistance*贵州省科学技术基金(黔科合 J 字 2012 2295 号);中建股份科技研发课题(CSCEC-2012-Z-09)作者简介卢云祥，工程师，E-mai

6、l:anson02201163 com 收稿日期2013-11-050引言中国古建筑和仿古建筑是中华文明和东方建筑文化的重要组成部分，具有独特的结构形式。其中更以木结构建筑作为东方建筑艺术的典范，具有重要的艺术价值和科学价值。目前，国内外学者对仿古木结构性能的研究已开展了较多工作并取得一定成果，但由于木结构特殊的营造技术和构造特点使其具有复杂的力学机制，对仿古木结构力学性能的研究尚停留在定性的研究工作上，缺乏定量的理论计算方法1。因此，结合科学可靠的理论分析手段及现场检测技术，保证仿古木结构具有可靠的承载能力和变形能力，使其能长久保存，是当代建筑工作者的职责所在。本文以贵州省凯里市某仿古建筑为

7、例，在考虑木结构榫卯节点的半刚性连接基础上，结合现场检测、原材料试验及有限元技术对仿古木结构的抗风安全性进行了综合检测，对其在风荷载作用下的承载能力及变形能力进行了分析与评估，为类似工程提供借鉴和参考。1概述1.1木结构与混凝土结构的组合应用传统木结构具有不耐火、易腐蚀、易开裂等缺点，通过不断实践与探索，目前仿古建筑如鼓楼、寺庙等一般采用木结构和混凝土结构的组合，以达到更高的建设要求。混凝土框架结构作为仿古建筑的内部骨架，是主要的传力体系;木结构使用在仿古建筑的可见部分，形成仿古建筑的木结构外衣造型;木结构间采用榫卯方式连接，木结构与混凝土32施工技术第 43 卷结构间一般采用预埋钢板靴、钢箍

8、焊接的方法来确保二者的可靠连接，钢靴在混凝土浇筑前埋入混凝土构件中，与钢筋焊接牢固，同时进行防锈处理，木构件与混凝土、钢材接触的木材表面均涂刷防腐剂，节点连接构造如图 1 所示。钢筋混凝土结构与木结构一体的混合结构实现了两种结构的整合，传力途径明确合理，既节约木材、降低造价、提高耐火性与耐久性，又利于保持传统的建筑风格。图 1木柱与混凝土梁连接Fig 1The connection of wooden columnand concrete beam1.2工程概况贵州省凯里市某仿古建筑为八方底座鼓楼，如图 2 所示。该建筑设计高度 32.5m，为钢筋混凝土骨架加木结构外衣造型，木结构部分采用当地

9、传统工艺施工，无计算设计资料。该工程建筑造型特殊，尤其是木结构部分的体型构造、传力体系较为复杂，且该鼓楼地处山坡，海拔较高，高宽比 1.5，属建于山坡之上的高耸建筑物，对结构抗风作用极为不利。图 2八方底座鼓楼Fig 2The eight base tower因此，为确保结构抗风安全，在考虑木结构榫卯节点的半刚性连接基础上，结合现场检测、原材料试验及有限元技术对八方底座鼓楼的抗风安全性进行综合检测，对其在当地 50 年一遇基准风压作用下的结构性能进行分析与评估。2现场检测及原材料试验针对影响结构安全性的因素进行调查、检测和试验是仿古建筑安全性评估的基本方法。本文根据现行相关规范对八方底座鼓楼进

10、行了现场检测及原材料试验，具体内容如下。1)基本情况调查对鼓楼的建筑尺寸进行测绘，获取有关结构使用条件、几何数据、材料特性等方面的信息。2)基础情况调查在基础尺寸和地基参数难以获得的前提下，通过测量鼓楼的倾斜度和沉降数据作为稳定性判断的依据。经检测，该鼓楼由地面至顶 部 的 总 高 度 为 32.36m，鼓 楼 倾 斜 度 =0.001 26。3)现场抽取木材试样进行含水率及抗压强度等原材料试验试验结果表明，所抽取木材试样含水率为 24.2%，满足规范含水率限值要求;所抽取的木材试样强度等级满足木结构设计规范 GB500052003 关于木材等级 TC11 的 A 组别要求。4)原木材质等级检

11、测经检测，八方底座鼓楼承重木柱、木梁及檩条的材质等级均达到木结构工程施工质量验收规范 GB502062012 关于木材a级要求。5)木材缺陷情况检测八方底座鼓楼木结构在构件任何 150mm 长度上所有木节尺寸的总和均未超过规范限值，木柱普遍存在开裂现象，部分裂缝沿木柱高度通长分布，木柱裂缝内未做任何防腐处理。6)挠度及长细比检测采用水准仪、塔尺等对鼓楼结构构件的挠度、长细比进行检测。结果表明，受弯构件跨中挠度为 7 13mm，木柱最大长细比为 93，均满足规范相关限值要求。7)采用回弹法对鼓楼混凝土构件的抗压强度进行检测经检测，八方底座鼓楼混凝土构件的抗压强度满足 C25 要求。8)采用电磁感

12、应法对八方底座鼓楼的混凝土构件配筋情况及钢筋保护层厚度进行检测经检测，鼓楼各混凝土构件的钢筋配置均满足现行规范要求，且受力钢筋保护层厚度合格率为 90.8%，满足规范要求。3有限元技术3.1榫卯半刚性连接仿古木结构最显著的特点之一就是木结构之间采用榫卯连接，如图 3 所示。榫卯连接具有比刚接变形大、比铰接变形小的特点，是介于刚接和铰接之间的半刚性连接2-3，这种连接既可以承受拉压作用，又具有一定的抗弯、抗扭能力。对此，方东平博士等曾提出采用二节点虚拟弹簧单元模拟榫卯连接的半刚性。即将弹簧单元加2014 No 4卢云祥等:仿古木结构抗风安全性检测与评估33图 3榫卯连接Fig 3Mortise

13、and tenon joint在梁柱连接处模拟榫卯连接，该弹簧单元的节点与其所连接的构件拥有相同自由度，相当于在原有的接头处加入了独立(互不耦合)的拉压弹簧和弯扭弹簧。随着弹簧刚度的变化，节点的力学性能将发生变化，能够较好地模拟榫卯节点的半刚性4-5。本文在有限元软件 ANSYS 中选择 Matrix27 单元对榫卯连接进行模拟，通过单元参数设置，榫卯连接节点处的单元刚度矩阵如下所示，实现榫卯连接的模拟，其中 Matrix27 单元弹簧刚度参数取自参考文献 4。3.2计算模型在 ANSYS 平台上，对八方底座鼓楼建立数值仿真模型。模型中，梁、柱、檩条均采用 Beam188 单元，屋盖结构采用

14、Shell63 单元，木结构榫卯连接处采用 Matrix27 单元。计算模型如图 4 所示。图 4有限元计算模型Fig 4The finite element model根据现场检测及原材料试验的检测结果，对模型中各构件材料参数进行赋值，其中混凝土材料按C25 强度等级采用，木质材料按 TC11 等级 A 组别木材取用，同时根据使用条件对强度设计值和弹性模量按规范选取调整系数。使用环境为露天环境，强度设计值调整系数为 0.8，弹性模量的调整系数为 0.85。木质材料调整后的力学性能参数如下:抗弯强度为 8.8MPa;顺纹抗压强度为 8MPa，抗拉强度为 6MPa，抗 剪 强 度 为 1.12M

15、Pa;弹 性 模 量为 7.65GPa。3.3边界条件及加载情况八方底座鼓楼底层柱为钢筋混凝土结构，有限元模型根据实际情况对柱脚进行固支约束。根据建筑结构荷载规范 GB500092012，按当地 50 年一遇基准风压进行取值。由于本工程高度 30m，高宽比 1.5，且所处地貌属于山区，故需对风压高度变化系数进行相应修正，同时还应考虑风压脉动对结构发生风振的影响。鼓楼结构风荷载体型系数按正八边形计算6，风荷载以面荷载形式作用于整体模型 Shell63 单元上，并根据规范进行荷载效应组合。3.4模态分析风荷载静力计算是将风压以静力方式施加到结构中，实际风荷载是一种随机振动激励，有必要对结构进行模态

16、分析，以便了解结构的动力特性、振型系数等。对八方底座鼓楼各阶振型与频率进行计算，前 6 阶自振频率分别是 1.456，1.459，1.675，2.810，3.089Hz 和 3.103Hz。鼓楼前 3 阶振型均反映了结构的整体振动模态，其中第 1 阶和第2 阶为水平向振型，第 3 阶为转动振型。3.5八方底座鼓楼计算结果根据现行相关规范，采用有限元技术对八方底座鼓楼在风荷载作用下的位移响应及应力分布规律进行有限元计算。3.5.1位移及挠度计算结果考虑自重，八方底座鼓楼在风荷载作用下的变形情况如图 5 所示，图中 x 轴正向为风荷载作用水平方向，y 轴是与 x 轴垂直的水平方向，z 轴方向为建筑

17、结构的竖直方向。八方底座鼓楼位移以顺风向为主导，最大位移出现在结构顶部为 0.015 2m H/550，具有较好的抗侧移刚度。在竖直方向上，八方底座鼓楼同时受到重力与风荷载的叠加作用，最大竖向位移出现在迎 风 面 最 底 层 的 面 板 处，最 大 竖 向 位 移 为0.013 6m，满足 木结构设计规范 表 4.2.7 中关于受弯构件挠度的要求。根据受弯构件挠度限值要求，八方底座鼓楼最大与最小跨度檩条的允许挠度值为 0.026 8m 和0.002 65m。由计算结果可得，最长檩条与最短檩条的挠度分别为 0.013 5m 和 0.001 8m，均满足木结构设计规范 表 4.2.7 中受弯构件挠

18、度的要求。34施工技术第 43 卷图 5位移云图Fig 5The displacement contours3.5.2应力计算结果考虑自重，由有限元计算结果可得，钢筋混凝土结构的第三主应力最大值为 10.7MPa，满足 C25混凝土抗压强度设计值要求。鼓楼结构的部分木质柱根部处于受拉状态，受拉应力最大值达 4.16MPa，受拉应力小于木材抗拉强度设计值。根据木质柱第三主应力计算结果，最大压应力出现在八方底座鼓楼第 9 层木柱与木梁的榫卯连接处，最大应力为 6.78MPa，满足强度设计值。风荷载作用下，八方底座鼓楼檩条结构的第一主应力均为拉应力，第三主应力均为压应力，最大拉、压应力分别为 10.

19、7MPa 和 11.2MPa，出现在八方底座鼓楼整体结构迎风面第 1 层及第 2 层面板下檩条端部，最大拉、压应力均超过材料抗弯强度设计值 8.8MPa。根据八方底座鼓楼木质梁第一主应力及第三主应力计算结果，木质梁结构的最大拉、压应力分别为 7.18MPa 和 7.13MPa，出现在八方底座鼓楼整体结构第 2 层梁的跨中部位，最大拉、压应力均满足材料抗弯强度设计值 8.8MPa。3.5.3八方底座鼓楼有限元计算结果综上所述，八方底座鼓楼在风荷载作用下，其建筑结构最大侧向位移为 0.015 2m H/550，这表明鼓楼整体结构具有较好的抗侧移刚度，且各受弯构件挠度均满足木结构设计规范 表 4.2

20、.7 关于受弯构件挠度限值的要求。根据应力分析结果，鼓楼钢筋混凝土构件承受的最大压应力均满足 C25 混凝土抗压强度设计值要求;鼓楼木质柱和木质梁的最大拉、压应力均满足 木结构设计规范 关于木材等级 TC11 的 A 组别抗拉、抗压及抗弯强度设计值要求。经计算发现，风荷载作用下，鼓楼结构部分木质柱根部处于受拉状态，受拉应力虽未超过材料抗拉强度设计值，但有可能导致木质柱与混凝土构件之间连接部位的松弛或脱落，造成鼓楼结构整体或局部的变形、破坏等。建议在使用过程中，对木质柱与混凝土构件连接处定期进行检查、维护。同时，由于鼓楼第 1 层及第 2 层面板下檩条端部应力计算结果超过材料抗弯强度设计值，建议

21、对该部位檩条构件进行加固处理，并对开裂的木柱进行加固和防腐处理。4结语中国古建筑和仿古建筑是中华民族悠久文明的历史传承，也是建筑艺术长河中璀璨的明珠。木结构建筑作为东方建筑艺术的典范，对其结构安全性能进行检测与评估具有重要意义。本文以贵州省凯里市八方底座鼓楼为工程实例，在考虑木结构榫卯节点半刚性特点基础上，结合现场检测、原材料试验及有限元技术作为一种综合检测方法，对八方底座鼓楼的工程质量及抗风安全性进行了较为全面的分析与评估。结果表明，现场检测技术与数值仿真分析方法的有效结合，可为古建筑、仿古建筑的安全评估、维护和修缮提供理论依据，为类似工程问题的解决提供借鉴和参考。参考文献:1赵鸿铁，张风亮

22、，薛建阳，等 古建筑木结构的结构性能研究综述J 建筑结构学报，2012，33(8):1-102俞茂宏，ODY A，方东平，等 中国古建筑结构力学研究进展J 力学进展，2006，36(1):43-633徐明刚，邱洪兴 古建筑木结构榫卯节点抗震试验研究J建筑科学，2011，27(7):56-584方东平，俞茂宏，宫本裕，等 木结构古建筑结构特性的计算研究J 工程力学，2001，18(1):137-1445张舵，卢芳云 木结构古塔的动力特性分析J 工程力学，2004，21(1):81-866中国建筑科学研究院 GB500092012 建筑结构荷载规范S 北京:中国建筑工业出版社，2012武汉中心塔楼

23、智能型施工平台完成高空整体内收1 月 17 日，武汉中心塔楼智能型施工平台完成整体内收，开创了超高层模架体系高空整体内收的先例。此次内收完成平台四周向中心内缩 800mm，满足了塔楼渐变设计要求，按照计划，平台内收作业此后还将在 74 层、77 层进行。武汉中心塔楼智能型施工平台是由中建三局独立研发的可变微凸支点匣套型智能控制顶升模架体系，自 2012 年 4 月正式投入使用以来，已成功顶升 30 次，完成了塔楼核心筒 3 32 层结构施工任务，此后还将随塔楼层层攀升至 400m 高空。模架长 35m、宽 35m、最大高度 27 8m，自重约 1 600t，加之整个过程系 156m 高空作业，完成如此庞然大物的整体内收挑战可谓巨大。平台此次成功内收凸显了其国内首创的角部开合、整体内缩设计结构的强大功能性和灵活性，也为此后顺利内收奠定坚实基础。(摘自“中建三局总承包公司网站”2014-02-14)