嘉絨藏區(qū)碉樓結(jié)構(gòu)性能分析

蒲云勁

摘 要：嘉絨藏區(qū)碉樓作為我國重要的歷史文化瑰寶，一旦發(fā)生地震災(zāi)害，結(jié)構(gòu)倒塌，會給我國優(yōu)秀文化傳統(tǒng)的傳承和發(fā)展造成重大損失。為了更好地保護碉樓，我們就必須要清楚知道碉樓結(jié)構(gòu)性能。為此，文章基于ADINA有限元分析程序，對嘉絨藏區(qū)碉樓的簡化計算模型進行了結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析。其研究內(nèi)容主要有：（1）計算模型的建立：利用ADINA有限元分析軟件，建立了嘉絨藏區(qū)碉樓模型。（2）碉樓結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析：碉樓屬于凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。且負一層和頂層為剛性樓板，一層和二層為柔性樓板。

關(guān)鍵詞：嘉絨藏區(qū)碉樓；ADINA軟件；剪應(yīng)力

中圖分類號：TU352.1 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）29-0064-02

Abstract： As an important historical and cultural treasure in Jiarong Tibetan area， once the earthquake disaster occurs and the structure collapses， it will cause great loss to the inheritance and development of the outstanding cultural tradition in our country. In order to better protect the bunker， we must clearly understand the structure and performance of the blockhouse. For this reason， based on the ADINA finite element analysis program， the paper has carried on the structural static analysis to the simplified calculation model of the blockhouse in Jiarong Tibetan area. The main contents of this paper are as follows： （1） Establishment of the calculation model： using ADINA finite element analysis software， the model of the blockhouse in Jiarong Tibetan area is established. （2） Static analysis of the structure of the blockhouse： the blockhouse belongs to the concave and convex irregular and the torsional irregular. The first floor and the top floor are rigid slabs， and the first and second floors are flexible slabs.

Keywords： Jiarong Tibetan area bunker； ADINA software； shear stress

前言

藏族作為我國西部最為古老的部族之一，為我們留下了眾多文化遺產(chǎn)。這些文化遺產(chǎn)具有較高的歷史與學(xué)術(shù)價值，廣大學(xué)者去研究與保護也就具有比較重要的意義。此項研究有助于提高當(dāng)?shù)厝嗣裆钏?，可以對少?shù)民族建筑的文化傳承起到積極促進作用。碉樓建筑是嘉絨藏族物質(zhì)文化遺產(chǎn)和非物質(zhì)文化遺產(chǎn)重要的載體。它們也承載藏羌民族的思想理念、審美情趣、宗教信仰和生活習(xí)俗，呈現(xiàn)出萬千的姿態(tài)和迥異的風(fēng)格，是它們?yōu)槿祟惲粝碌囊环輳涀阏滟F的文化遺產(chǎn)，具有科學(xué)價值、歷史價值、文化價值和藝術(shù)價值。

1 碉樓建模理論分析

碉樓是一種石砌體結(jié)構(gòu)形式的建筑，和石砌體建筑特點比較相似。所用材料基本和石砌體相符，只是碉樓的塊石形狀各異。粘結(jié)材料泥土在整個結(jié)構(gòu)中所占比例要大于一般石砌結(jié)構(gòu)。

砌體是由砌塊和砂漿組成的復(fù)合材料，對其進行有限元分析常有兩類模型：分離模型（離散模型）和整體連續(xù)體模型。分離模型即是將砌塊和砂漿分別建模，可采用兩種處理方式：一種是不考慮磚與砂漿之間的粘結(jié)滑移，將砌塊與砂漿接觸面的所有節(jié)點自由度耦合在一起；另一種是考慮與砂漿之間的粘結(jié)滑移，將砌塊與砂漿通過接觸單元或非線性彈簧單元聯(lián)系在一起。由于磚與砂漿之間的粘結(jié)滑移關(guān)系曲線目前尚不成熟，接觸面的水平粘附強度常常難以得到，目前使用前一種方式的較多且較易實現(xiàn)。整體連續(xù)體模型即是將砂漿和砌塊作為一個整體來考慮。所以，在目前分離模型可以模擬砌塊與砂漿之間的作用和砌體破壞機理，適用于模擬小型試驗砌體的破壞行為，但計算量大，建模繁瑣；整體連續(xù)模型適于分析大規(guī)模的墻體，但對于詳細的應(yīng)力分析和理解砌體多樣的實效機理卻顯得不足。

因為要克服離散模型在大型墻體計算量，建模繁瑣等問題；克服整體連續(xù)模型與實際相差比較遠，其計算結(jié)果不準(zhǔn)確等問題。所以本次建模將整個碉樓進行有限元劃分，然后按隨機分布的原理將石塊、黃泥、木條分別附在單元上，這樣做就比較和碉樓實際情況比較相近，而且也提高了計算的精度。

碉樓主要材料是用石塊和粘土混合而成的二相體，將分布在墻體的石塊和粘土進行隨機分布。然后再結(jié)合有限元的思想，用ADINA軟件建造整個碉樓的有限元模型。這樣就解決了離散模型只能用于分析小型試驗的局限性，同時也解決了整體連續(xù)型模型分析的不準(zhǔn)確性。此模型能更準(zhǔn)確的分析嘉絨藏族的抗震性能，為嘉絨藏族文化的傳承作出了貢獻。

2 有限元模型建立過程

根據(jù)碉樓的建筑圖，在ADNIA中用幾何建模方式建立碉樓模型。通過布爾運算將模型的墻體切割，再把切割的每一小塊劃分為邊長為0.2米和0.3米的網(wǎng)格。劃分完網(wǎng)格，把墻體創(chuàng)建為一個單元組，門窗過梁添加為一個單元組。

碉樓主要的建筑材料是石塊和黃泥，考慮砂漿的不飽和度，有空氣的成分，所以將模擬碉樓墻體選用三種材料。黃泥，空氣，石塊的比例分別為1：5：18。窗、門上設(shè)置過梁，采用橫紋松木模擬。

在每層的墻角選擇四個節(jié)點，然后將四個節(jié)點通過ADINA軟件剛性連接，在中心節(jié)點處添加同樓板相近的集中荷載來代替樓板。

3 模型結(jié)構(gòu)不規(guī)則類型的判定

根據(jù)《抗震規(guī)范》，建筑結(jié)構(gòu)的平面凹進的尺寸，大于相應(yīng)投影方向總尺寸的30%，則稱建筑結(jié)構(gòu)為凹凸不規(guī)則。根據(jù)現(xiàn)場實測碉樓尺寸得到：B=3200mm+2400mm=5600mm，0.3Bmax=9800mm×0.3=2900mm。因為B>0.3Bmax，所以結(jié)構(gòu)屬于凹凸不規(guī)則。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》第5·1·1條第3款規(guī)定：“質(zhì)量和剛度分布明顯不對稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計入雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)”。對“質(zhì)量和剛度分布明顯不對稱的結(jié)構(gòu)”，一般情況是指，樓層的最大彈性位移，大于該樓層兩端彈性水平位移平均值的1.2倍，即是？啄1>1.2，并且必須滿足？啄1<1.5。

對模型在Y方向加0.003mm的位移力，然后進行靜態(tài)模型計算。選取一層頂部全部節(jié)點，通過ANDINA數(shù)據(jù)分析，可以提取一層水平位移最大值及節(jié)點，如圖1所示。

由圖1可以得到一層最大水平彈性位移Dmax=0.03436mm。如圖2所示，分別對4、7、9點下所有節(jié)點進行研究在一層平面的水平位移。

通過ADINA軟件計算，在一層4、7、9個點的位移分別為0.01919mm、0.00687mm、0.01436mm。

選擇4、7節(jié)點兩端驗證結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：

1.2=1.2×=0.015636mm<？啄max=0.03463mm

1.5=1.2×=0.019545mm<？啄max=0.03463mm

選擇7、9節(jié)點兩端驗證結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：

1.2=1.2×=0.012738mm<？啄max=0.03463mm

1.5=1.2×=0.0159225mm<？啄max=0.03463mm

故該結(jié)構(gòu)為扭轉(zhuǎn)不規(guī)則結(jié)構(gòu)，并且不滿足抗震設(shè)計規(guī)范扭轉(zhuǎn)位移限定。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》，按照國外有關(guān)規(guī)定，在樓蓋周邊兩端位移不超過平均位移的2倍的情況稱為剛性樓蓋，超過2倍則屬于柔性樓蓋。同上，對模型在Y方向加0.003mm的位移力，然后進行靜態(tài)模型計算。選取頂層樓板剛性連接的四個節(jié)點進行位移分析，四個節(jié)點位移分別為d1、d2、d3、d4。

經(jīng)過計算分析，d1、d2、d3、d4均小于2，故負一層樓板為剛性樓板；d2大于2，故一層樓板為柔性樓板；d1大于2，故二層樓板為柔性樓板；d1、d2、d3、d4均小于2，故頂層樓板為剛性樓板。

綜上所述，通過ADINA軟件數(shù)值計算分析，結(jié)合《抗震建筑設(shè)計規(guī)范》判定，結(jié)構(gòu)屬于凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則。結(jié)構(gòu)底層和頂層樓蓋為剛性樓板，一層和二層樓蓋為柔性樓板。

4 結(jié)束語

本文通過對嘉絨藏寨的結(jié)構(gòu)簡化計算模型，通過ADINA軟件，加載靜力荷載和動力荷載分析模型結(jié)構(gòu)性能，得出以下結(jié)論：通過計算驗證，碉樓屬于凹凸不規(guī)則、扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；碉樓的樓板負一層和頂層為剛性樓板，一層和二層為柔性樓板。

同時，對于一些問題還有待進一步的研究。例如：

（1）本文的計算模型劃分的有限元網(wǎng)格比較大，計算結(jié)果不夠精確。對于模型樓板進行簡化，其荷載只作用在幾個節(jié)點上，引起應(yīng)力突變比較嚴(yán)重。

（2）本例的計算模型只是一個簡化的計算模型，由于沒有去現(xiàn)場考察，其材料選取與當(dāng)?shù)貙嶋H建筑材料性能有一定差異，而且所先用的材料都是線彈性材料，沒有考慮其塑性變形破壞情況。

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