交通激勵作用下光岳樓的動力響應分析及安全評估

(青島理工大學(臨沂) 土建工程系 山東 臨沂 276000)

交通激勵作用下光岳樓的動力響應分析及安全評估

曹雨

(青島理工大學(臨沂) 土建工程系 山東 臨沂 276000)

本文通過對聊城光岳樓進行振動監測，在識別光岳樓模態參數、建立動力分析模型的基礎上，建立地基-高臺基-主體木結構三維有限元模型，對其進行車輛加載，分析交通激勵下的動力響應值，對光岳樓進行安全性評估，以此提出光岳樓的保護措施。

光岳樓；動力響應分析；有限元模型；安全評估

一、交通激勵作用下光岳樓振動監測

聊城市光岳樓為國家重點文物保護單位，始建于1374年，樓高約33米，由高臺基和四層主樓組成，高臺基由磚石砌成，高9.38米，主體結構為四層木結構，高約24米，呈向上逐漸收攏式。本次現場檢測主要基于TST5912動態信號測試系統對各測點的動力響應監測，依據《古建筑防工業振動技術規范》中的要求“古建筑結構動力特性和響應的測試，屬于對稱結構時，可按任一主軸水平方向測試”進行測點布置，本文僅列舉一層測點布置，見圖1，對測試數據進行去直流、平滑、數字濾波、去除趨勢項等處理，并利用東華測試軟件中自帶的模態分析軟件對光岳樓進行模態分析。

圖1一層測點布置圖圖2梁柱榫卯節點模擬

二、光岳樓動力特性分析

模態是結構固有的振動特性，每一個模態都有特定的固有頻率阻尼比、和振型。本文采用ITD法對光岳樓進行模態分析，ITD法是指用結構自由振動響應的位移、速度或加速度時域信號進行模態參數識別的方法，并將此頻率與利用東華模態分析軟件所測得的頻率值進行對比，見表1。

表1 光岳樓自振頻率

表1中兩種分析方法的基頻分別為1.638Hz、1.653Hz，相差很小，故認為數據有效。另一方面，據史料記載，歷史上光岳樓每經50年都會有一次大規模的修繕，所以，光岳樓的整體剛度較其他木結構(如西安鐘樓等)會大很多[1]。

三、光岳樓動力響應分析

通過對光岳樓的動力響應進行數值模擬，建立了目前狀態下光岳樓的地基—高臺基—主體木結構的三維有限元模型，并提出環形車道車輛荷載的加載方式，得到了光岳樓在現有交通激勵作用下的動力響應。

在建立主體木結構有限元模型時，樓面荷載采用簡化處理，采用等效原則將屋蓋的質量等效為集中荷載加載至頂層柱頂，樓面荷載考慮活荷載，采用文獻[2]的荷載值3.6KN/m2；在進行柱礎模擬時，節點采用直接耦合的方法，不考慮摩擦滑移的影響；梁與柱、梁與梁之間的榫卯連接采用Combin14單元來模擬，在梁柱連接處施加彈簧單元，如圖2所示，柱端點①與梁端節點②③④⑤進行了連接；梁、柱單元采用Beam188進行模擬，Beam188可以承受拉、壓、扭作用，每個節點具有六個自由度。主體木結構有限元模型如圖3所示。高臺基尺寸為34.43m×31.62m×9.38m，并將光岳樓的地基建成圓柱體，并將內圓柱半徑設為36m，外圓環外半徑設為60m[3]。地基—高臺基—主體木結構的三維有限元模型見圖4所示。

圖3 主體結構有限元模型 圖4 光岳樓整體有限元模型

本章的地面車輛荷載采用四分之一的汽車荷載模型，針對光岳樓周邊復雜的實際交通情況，本文對車輛的荷載做了簡化處理，選取公交車為車輛代表，公交車單邊靜輪重P0=51.7KN，本文通過對來往車輛進行計數分析，共選取了12種不同工況進行分析，對各工況下的光岳樓整體有限元模型進行瞬態分析，并慮車輛行駛速度，車輛組合形式對光岳樓整體結構動力響應的影響。本文為避免贅述，僅對最符合實際情況的第5工況(環道以30km/h車速同時作用5輛公交車時)進行詳細描述，因該工況下所得各拾振點水平速度峰值與實測值最相近。

本文取西南內角柱各層拾振點共5個，并計算12種工況下5個拾振點的水平振動速度峰值，工況5各拾振點的水平振動速度峰值如表2所示，各拾振點速度時程曲線如圖5所示。

表2 工況5下各拾振點水平振動速度峰值(mm/s)

光岳樓屬于全國重點文物保護單位，其木材順紋彈性波速在4600m/s與5600m/s之間，均值為5011m/s。由規范可得其水平容許振動速度為0.196mm/s，在符合實際情況下的工況7下，頂層柱頂水平速度時程峰值的一半為0.13mm/s，小于規范中所規定的0.196mm/s。

通過對12種工況下光岳樓模型進行動力響應分析，可以得知：車輛行駛速度越高，各層的水平振動速度與加速度、豎向振動速度與加速度均會變大；在同樣的行駛速度下，豎向振動速度的幅值要大于水平振動速度。

結語：

通過上述對光岳樓結構的動力響應分析，認定光岳樓在目前交通激勵作用下處于安全狀態，為在更大程度上地避免交通激勵對光岳樓的影響，可采取如下措施：

(1) 限制車輛行駛速度。設置限速牌，將速度控制在30km/h以內；(2) 車輛類型的限制。對大貨車進行限行，避免重型車輛對光岳樓的影響；(3) 車距限制。減少同時間內環道車輛行駛數量，確定安全車距。

光岳樓作為中國古老雄偉的木構樓閣，在中國古代建筑史上有著重要地位，它歷經六百余年巋然不倒，見證了中國城市文明發展歷程，同時，對光岳樓的保護任重而道遠。

[1]喬冠東.交通激勵作用下聊城光岳樓動力特性及動力響應分析[D]. 西安:西安建筑科技大學,碩士學位論文, 2015.

[2]謝啟芳.中國木結構古建筑加固的試驗研究及理論分析[D].西安:西安建筑科技大學,2007．

[3]胡博森.光岳樓環道地面交通激勵模擬及防震措施研究[D].西安:西安建筑科技大學,碩士學位論文, 2017.

曹雨(1991-)，女，山東臨沂人，青島理工大學(臨沂)土建工程系，助教，碩士，主要從事工程經濟、工程造價研究。