應(yīng)縣木塔隔震性能分析

崔利富，孫建剛，李 琦

(1.大連海事大學(xué)道路與橋梁工程研究所，遼寧大連116026;

2.大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，遼寧大連 116605)

應(yīng)縣木塔隔震性能分析

崔利富1，孫建剛2，李 琦2

(1.大連海事大學(xué)道路與橋梁工程研究所，遼寧大連116026;

2.大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，遼寧大連 116605)

為了降低應(yīng)縣木塔的地震響應(yīng)，采用基礎(chǔ)隔震措施，基于ADINA有限元分析程序，對應(yīng)縣木塔的簡化計算模型進行了基礎(chǔ)隔震地震響應(yīng)分析。結(jié)果表明，基礎(chǔ)隔震措施能夠延長結(jié)構(gòu)的自振周期，避開場地的卓越周期;隔震效應(yīng)與場地和隔震層阻尼比有關(guān)，需要綜合考慮選取最佳場地和隔震層阻尼比。關(guān)鍵詞:應(yīng)縣木塔;基礎(chǔ)隔震;ADINA軟件;地震響應(yīng)

關(guān)于應(yīng)縣木塔的研究，主要集中于風(fēng)振、損傷、抗震性能數(shù)值分析方面，針對加固措施方面的研究較少。本文將應(yīng)縣木塔的基礎(chǔ)加入隔震層進行模擬計算，并將其與非隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)做進一步的比較。

1 有限元模型建立

1.1 應(yīng)縣木塔工程概況

木塔于遼清寧二年(公元1056年)開始建造，塔高67.13 m，塔的每層平面都呈八角形，從外表看來，只有5層，但內(nèi)部設(shè)4層暗層，所以共為9層。各層檐下均設(shè)置斗拱，種類多達數(shù)十種。上部塔剎14 m高，造型挺拔，十分雄偉［1］。木塔設(shè)有內(nèi)外兩槽立柱，形成了雙層的套筒式結(jié)構(gòu)。在塔的暗層中運用了大量的斜撐，其作用是提高木塔的整體性。

1.2 應(yīng)縣木塔有限元模型建立

根據(jù)相關(guān)的實驗測定，木塔的材料取老化后木材的相關(guān)材料屬性，即木材的順紋彈性模量為7E9 N·m－2，橫向彈性模量為1.5E9 N·m－2，剪切模量為 GXY=GYZ=GXZ=9.54E8 N·m－2，泊松比取為μXY=μYZ=μXZ=0.1，密度取510.2 kg·m－3［2］。

模型中梁截面為矩形(25.5cm×17cm);柱截面為圓形，直徑為60 cm［3］。將梁柱取為Beam單元，因它是根據(jù)對所選材料的特性和截面尺寸進行剛度計算，可以定義端點的自由度松弛和剛性端［4］。對于柱腳和柱礎(chǔ)的平擱連接以及隔震層模擬，采用彈簧單元來模擬。建立的計算模型如圖1。

圖1 非隔震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)模型

2 隔震與非隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析對比

2.1 結(jié)構(gòu)固有特性對比分析

非隔震模型和隔震模型的一階振型如圖2。

從一階振型可以看出，隔震結(jié)構(gòu)的變形明顯小于非隔震結(jié)構(gòu)的變形，可見，隔震結(jié)構(gòu)延長了結(jié)構(gòu)的自振周期，能夠避開場地的卓越周期，其變形趨于平動。

圖2 非隔震模型和隔震模型一階振型比較

2.2 不同工況下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)對比分析

2.2.1 不同地震動輸入

不同地震動輸入下，隔震結(jié)構(gòu)和非隔震結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)結(jié)果見表1和表2。

表1 不同地震動輸入下隔震與非隔震結(jié)構(gòu)各層柱端位移

從表1可以看出，兩種結(jié)構(gòu)的各層位移隨著層數(shù)的增加在不斷的加大，但隔震結(jié)構(gòu)的增長幅度要小于非隔震結(jié)構(gòu)，說明隔震裝置對結(jié)構(gòu)的減震耗能起到了良好的作用。

表2 不同地震動輸入下隔震與非隔震結(jié)構(gòu)加速度對比

表2表明，采取隔震措施后，隔震結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)明顯降低，趨近于平動，達到了減震的目的。

圖3 位移曲線

2.2.2 不同隔震層阻尼比

隔震層阻尼比不同時，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)如圖3和圖4。

圖4 加速度曲線

從圖3和圖4可以看出，隔震結(jié)構(gòu)的阻尼比不同，隔震效果不同，對位移影響較為明顯，阻尼比越大，位移越小，說明起到了耗能減震的作用。在實際工程設(shè)計中，可以用增大阻尼比的方法來減小結(jié)構(gòu)的各層位移。

3 結(jié)論

(1)基礎(chǔ)隔震裝置能夠有效地減小結(jié)構(gòu)在地震中的位移及加速度響應(yīng)。

(2)基礎(chǔ)隔震裝置能夠延長建筑結(jié)構(gòu)的自振周期，從而使建筑物避開場地卓越周期，趨近于平動。

(3)在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以通過增大結(jié)構(gòu)的

阻尼比來實現(xiàn)降低結(jié)構(gòu)位移的目的。

［1］張建麗.應(yīng)縣木塔殘損狀態(tài)實錄與分析［D］.太原:太原理工大學(xué)，2007.

［2］孫曉潔.殿堂型木構(gòu)古建筑抗震機理分析——斗棋演化隔震的有限元動力分析［D］.成都:西南交通大學(xué)，2009.

［3］王鈺.應(yīng)縣木塔扭、傾變形張拉復(fù)位的數(shù)字化模擬和安全性評價［D］.揚州:揚州大學(xué)，2008.

［4］岳戈，陳權(quán).ADINA應(yīng)用基礎(chǔ)與實例詳解［M］.北京:人民交通出版社，2008.

Isolation Performance of Ying County Wooden Pagoda

CUI Li－ fu1，SUN Jian － gang2，LI Qi2
(1.Institute of Road and Bridge Engineering，Dalian Maritime University，Dalian Liaoning 116026，China;
2.College of Architecture ＆ Civil Engineering，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

In order to reduce the seismic response of Ying County Wooden Pagoda，base isolation measures are taken.Based on finite element analysis program ADINA，the base isolating seismic response is analyzed for simplified calculation model of County Wooden Pagoda.The results showed that base isolation measures can prolong the natural cycle of the structure and avoid the predominant period of the site.The isolation effect is related to the site and the damping ratio of isolation layer，which needs to comprehensively consider the selection of the best site and damping ratio of isolation layer.

Ying County Wooden Pagoda;base isolation;ADINA software;seismic response

TU352

A

1009－315X(2012)01－0056－03

2011－06－29;最后

2011－10－26

崔利富(1982－)，男，黑龍江五常人，大連海事大學(xué)道路與橋梁工程研究所博士研究生，主要從事防災(zāi)減災(zāi)工程及防護工程研究。

(責(zé)任編輯 鄒永紅)