嵌固墙体对光岳楼抗震性能的影响

王岱龙（聊城大学，山东 聊城 252000）

关键字：古建筑；嵌固墙体；光岳楼；木结构；抗震性能

木结构建筑体系是我国古代建筑重要类型之一，主体是由榫卯连接构成的木框架承重体系。在木结构古建筑的山面及后檐两侧都嵌有起围护作用的厚重墙体。墙体大多为非承重墙，不能承受来自上部结构传递的竖向荷载。但在特殊情况下，由刚度较小而使梁构件向下产生挠曲变形或者嵌入墙体的木柱腐烂、虫蛀导致承载力丧失时，墙体和木构件将共同承受上部结构传递的竖向荷载。在地震作用时，墙体与木构架共同变形，但因墙体刚度较大，故墙体承受地震作用要多于木构架。当墙体开裂或倒塌时，地震作用将会逐渐转移至木构架。

现有研究考虑墙体的木结构整体理论分析及试验研究较少，且大多数古建筑有限元模拟都以木构架为地震分析模型，考虑嵌固墙体的有限元分析模型较少。不同于质量轻密度小的木材，墙体厚重且刚度较大，故在地震作用下，嵌固墙体对木构架抗震性能的影响也不可忽视。

光岳楼由高台基和主楼两部分组成。高台基为砖石砌成的正四棱台，四层主楼筑于墩台之上，采用木构架承重。墙体厚1.21m，主要分布在一层木构架四周，四个方向各有一个大门。本文对有无嵌固墙体的光岳楼上部木结构进行动力特性及动力响应对比分析，为其他含有嵌固墙体的木结构有限元分析提供依据。

1 有限元模型

1.1 单元选择

光岳楼上部带墙体木结构采用ANSYS中APDL语言进行编程建模，梁柱采用BEAM188单元模拟，屋盖荷载采用MASS21单元模拟，屋面板及嵌固墙体用SHELL181单元模拟，梁柱榫卯节点用COMBIN14单元模拟。

1.2 材料参数

参考同年代顺纹方向的木材参数[1]，根据《古建筑木结构维护与加固技术规范》[2]对木材参数进行调整修正，依据《组合结构设计规范》[3]对弹性模量进行调整，考虑年限并且修正木材材料参数[4]。

结合其得出的砖墙砌体等效力学参数，并参考《砌体结构设计规范》(GB50003—2011)。本文采用的砖砌体墙材料力学参数见表1，对屋面板、楼面板根据面积等效原则等效为作用在相应柱顶的集中荷载，计算求得柱顶集中质量为4889kg。

表+ 墙体材料参数

1.3 边界条件设置

我国木结构古建筑大多通过柱础连接到基础，柱根浮搁在础石之上。在主体结构的重力作用下，础石可以在垂直和水平方向上提供一定的摩擦力，对柱底旋转的限制较小。参考高大峰、苏军等处理木结构古建筑的连接方法，本文将柱脚与础石的连接节点近似简化为铰接。

考虑到古建筑的施工技术，在将墙面砌筑在梁的底部时，不采取任何连接措施，而仅使用低标号砂浆填充墙梁之间的细缝，即设置墙体与梁底为普通接触。模拟柱子-墙体接触采用线面接触单元，墙体侧边是采用TARGE169单元模拟的目标单元，柱子是采用CONTA172单元模拟的接触单元。

按照有无墙体参与工作两种方式建模，两种模型见图1。其中N表示不考虑墙体的结构，N-W表示考虑嵌固墙体的结构。

图1 光岳楼有限元模型

2 模态分析

本文采用Block Lanczos法对光岳楼木结构有限元模型进行模态分析，对于古建筑来讲，对其地震作用下模态分析，是结构动力学分析的基础。通常情况下高阶模态的权重远低于低阶模态，一般取前几阶模态进行分析。

2.1 频率

对光岳楼上部木结构模型进行模态分析，获得不同条件下模型的前10阶频率表2。

表+ 两种模型前10阶自振频率/Hz

由表2可知，光岳楼有限元模型前10阶的频率均分布至0~10Hz，自振频率随阶数增大逐渐增大，嵌固墙体的存在使结构的基频提高，但对高阶频率的提高不明显，高阶振型自振频率趋于接近，因此嵌固墙体的存在明显提高结构的整体刚度，对光岳楼动力性能有显著影响。

2.2 振型

由软件分析可知：①无论模型是否考虑嵌固墙体，主振型都在前两阶，一阶和二阶振型分别表现为纵向振动和横向振动，三振型阶开始扭转，说明在地震作用下，扭转振型的发生在平动振型之后，需要的地震能量也大，因为扭转破坏对建筑的影响很大，所以在建筑设计的时候尽量避免扭转振型发生在前两阶，这样的情况是一个建筑最适合的情况。如果扭转振型发生在第一阶或者第二阶，说明扭转比平动更容易发生（很小的地震能量就行发生扭转振型），那么就容易扭转破坏，那么对建筑物是不利的；②不考虑嵌固墙体时，模型的主振型表现为木构架的整体侧移；而考虑嵌固墙体时，在模型周围嵌入木柱的墙体使得木构架无明显振动，即嵌固墙体对木构架振动具有约束作用。

3 时程分析

光岳楼结构所在地聊城市的抗震设防烈度为7度（0.15g），设计地震分组为第二组，场地类别为Ⅲ类，特征周期Tg为0.55s，综合以上因素，选取X向El波持续时间20s，时间间隔为0.02s的数据作用于光岳楼上部木结构，X方向加速度峰为150gal，在进行弹塑性时程分析时，选取二层柱顶（编号383）、四层柱顶（编号949）来研究嵌固墙体对结构位移及加速度的影响。

3.1 加速度

图2 表示383号节点与949号节点的加速度响应曲线，节点的加速度响应与结构所受内力密切相关。可以得出：①不考虑嵌固墙体的木构架结构四层柱顶相对于二层柱顶动力放大不明显，可以反映出榫卯节点和斗拱具有良好耗能减震作用；②考虑墙体后，四层柱顶和二层柱顶的加速度峰值放大明显，反映出因考虑墙体的作用，结构内力变大。结构顶部产生破坏的可能性增大，内力过大对墙体而言可能产生开裂甚至倒塌，对于整体结构来说，由于结构的变形减小导致整体结构倒塌的概率变小。

图2 节点加速度响应曲线

3.2 位移

图3 为位移响应曲线，可以得出：①无论结构是否考虑墙体，节点383和节点949的位移响应曲线都是围绕平衡中心线振动，侧面反映了结构稳定状态的振动情况；②两个节点在考虑嵌固墙体的作用后，位移都有所减小，这反映了墙体对于木框架在振动中有明显的约束作用，且949号节点相对于383号节点距离柱子与墙体相交的地方的节点更近，其位移减小更明显。由此得出，所选节点距离一层墙体位置越近，其约束作用越明显。

图3 节点位移响应曲线

4 结语

a.考虑嵌固墙体的木结构基频大于不考虑嵌固墙体的木构架结构，且考虑嵌固墙体的模型对低阶频率影响显著，对模型高阶频率影响不大。其原因是嵌固墙体对木构架有一定的约束作用，使带墙体的模型抗侧刚度大于木构架结构。

b.是否考虑嵌固墙体，木结构主振型都在前两阶，一阶和二阶振型表现为纵向振动和横向振动，三振型阶表现为开始扭转，嵌固墙体对木构架振动具有明显约束作用。

c.地震作用下，考虑嵌固墙体对结构有明显约束作用且距离墙体和柱子相交位置越近，其约束越明显。考虑嵌固墙体后，其内力明显增大，位移减小，整体结构抗倒塌性能更好。