嘉峪关木结构城楼动力响应特性研究

邹智鹏 薛滕云 刘 璞 刘 娟

（湖南交通工程学院，湖南 衡阳 421001）

0 引言

中国古建筑是世界上历史最悠久、体系最完整的建筑体系，是中国文化遗产的重要组成部分，其从单体建筑到园林布置都在古代建筑文明中处于领先地位。古建筑城楼是我国古代劳动人民智慧的结晶，具有重要的历史与文化、科学与艺术价值。然而在长期的自然因素或者人为因素的破坏中，许多古建筑城楼存在不同程度的损伤甚至消失。因此，对古建筑城楼开展保护，尤其是开展预防性保护具有极其重要的意义。

近年来，我国经济建设的脚步不断加快，交通产生的激励振动会对建筑安全造成一定的影响，加之随着旅游业的兴起，络绎不绝的游客产生的微振动也会给一些极具历史文化价值的古建筑城楼的安全带来一定的危害。尽管交通和游客引起建筑的振动较小，但对于古建筑城楼长期的疲劳损伤影响不可忽视。尤其那些上千年的古建筑城楼，由于自然因素以及其他因素使得它们已经存在不同程度的损伤，加之长期反复的微振动作用，容易使古建筑产生裂缝以及变形，对结构安全带来不利影响[1,2]。

目前关于古建筑城楼的动力特性研究主要采用现场测试与有限元数值模拟相结合的方法。Uchida 等[3]、Kawai等[4]、Minowa等[5]和Fujita[6]等通过动力特性研究得到日本古建筑木塔的动力特性参数；Ono 等[7]和Kameyama 等[8]对日本木结构庙宇开展了动力特性试验和有限元分析研究。在国内，李世温团队对山西应县木塔开展了数十年研究，包括静力和动力特性试验研究和理论分析，取得了一系列成果[9]；俞茂宏课题组对西安东门箭楼开展了动力特性试验，获得了古建筑城楼的动力特性参数[10]；赵鸿铁课题组开展了大量关于古建筑城楼动力特性的试验研究并取得了丰富成果[11]。

在前人研究的基础上，本文以嘉峪关古建筑木结构城楼为例，对其开展现场动力特性测试与有限元模态分析，将二者结果进行对比，验证数据的准确性。研究结果可为古建筑城楼的安全评估提供参考，也可为类似建筑形式的古建筑城楼的地震与风振响应分析方面提供参考。

1 嘉峪关木结构城楼现场动力测试

嘉峪关关城位于甘肃省嘉峪关市，始建于明朝洪武五年（公元1372年），是世界文化遗产。关城共有三座城楼，自西向东依次为关楼、柔远楼和光华楼。嘉峪关城楼属于三重歇山顶式建筑，城楼平面布置呈长方形，面阔约12m，进深约8m，总高度约17.2m。城楼总体布置如图1所示。

图1 嘉峪关关城总体布置图

1.1 现场测试

建筑结构动力测试常用的方法有自由振动法、强迫振动法和脉动法。对于结构复杂的大型建筑，例如桥梁、古建筑城楼等，无法采用简单的自由振动法或人工激励（强迫振动法）进行分析，只能利用天然脉动如风荷载作为激励，建筑结构在脉动激励作用下产生振动，利用动力测试设备即可测得结构的脉动参数。

（1）动力测试设备。

现场动力测试试验采用CMG-5TCDE一体化智能加速度传感器，如图2所示。该设备内部采用Linux系统，可在离线状态采集和存储数据，具有高精度和灵活性而广泛应用于抗震防灾、大型振动试验等。

图2 CMG-5TCDE加速度传感器

（2）测点布置。

测点选择和布置依据《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T 50452-2008）和《城市区域环境振动标准》（GB10071-88）中的相关规定进行合理布置。嘉峪关古建筑城楼共三层，且属于双轴对称结构，因此测点布置也采用对称方式。综合考虑设备摆放和测量精确性，分别在城楼四角柱位置各布置1个测点，在楼板中部布置2个测点，保证测点布置的均匀性。每层布置6个测点，共布置18个测点。各测点布置如图3所示。

图3 城楼测点布置示意图

对图片做一定的处理，把图中的回车符号去掉。

（3）测试流程。

现场动力测试试验为连续性测试，测试时间选择游客相对较少的上午7:00-9:00与下午5:00-7:00两个时间段。首先在城楼内部标定测点，将现场杂物清除干净放置设备，并调试设备；将仪器数据线连接电脑，启动SCREAM软件确认采集频率、文件输出间隔等参数。所有准备工作确认无误后开始采集数据，同时相关人员撤出城楼以免产生干扰振动；各测点数据采集时间为0.5h，之后更换测点。所有测点数据采集完毕后拷出数据并拆除仪器。现场测试如图4所示。

图4 现场测试图

1.2 测试数据处理与分析

（1）城楼振动速度峰值分析结果。

根据《古建筑防工业振动技术规范》（GB/T 50452-2008）规定，国家级文物保护古建筑木结构城楼柱顶水平向容许振动速度为0.18~0.22mm/s，省级文物保护建筑柱顶水平向容许振动速度为0.25~0.30mm/s。嘉峪关古建筑城楼属于国家级保护建筑，柱顶水平向容许振动速度应以0.18~0.22mm/s为参考。由于篇幅原因，仅取城楼三层四角柱顶振动干扰较少的测点测试结果进行分析。将测点水平振动速度进行汇总，如表1所示。

表1 城楼三层柱顶水平向振动速度表 mm/s

由表1可知，嘉峪关古建筑城楼水平振动速度东西向明显大于南北向；将测试结果与规范要求值进行对比可得，嘉峪关古建筑城楼水平向振动速度均小于0.18mm/s，在规范限值以内。

（2）自振频率分析。

采用频域分析法确定古建筑城楼的自振频率，现场测试过程中由于游客走动对城楼一、二层的测试结果存在一定干扰，因此仅以受到干扰较小的三楼测点的测试结果为城楼的自振频率，如表2所示。

表2 城楼前六阶自振频率实测值

2 嘉峪关木结构城楼有限元模态分析

2.1 有限元建模

城楼平面布置呈长方形，面阔约12m，进深约8m，一层高5.2m，二层高4m，三层高8m，总高度约17.2m。檐柱与金柱截面半径均为0.15m，各层主梁截面尺寸为0.2m（宽）×0.4m（高），檩条截面半径为0.1m，椽子半径为0.06m，建模模型尺寸如图5~图7所示。

图5 一层柱网示意图

图6 二层柱网示意图

图7 三层柱网示意图

采用ANSYS有限元软件进行建模，在connections中设置连接方式。根据古建筑传统工艺做法，城楼砖墙与内部柱子一般留有5cm缝隙，因此建模时不考虑一层砖墙，建模时构件参数设置及连接方式参考文献[12]，一层砖墙、二三层的楼板和屋面板选用Shell 单元，可用于模拟板状结构。砖砌墙体与主体结构的连接方式为刚性连接，砌体的E为2220MPa，抗压强度为3225kPa，抗拉强度为289kPa。檐柱柱脚直接插入地面上的底座与其铰接，类似于榫卯连接，可选用摩擦隔震器代替，摩擦系数取值为0.5，有效阻尼取值0.05。对于金柱而言，由于厚重墙体的约束作用，可以视为固接。城楼内部的梁、柱、枋、檩和椽子等构件之间采用榫卯连接方式，榫卯连接为半刚性连接，其特点为能承受轴向作用力和弯矩，采用Combine14弹簧单元模拟（可传递轴力、弯矩、剪力和扭矩）。最终建立有限元模型如图8所示。

图8 城楼有限元模型图

2.2 有限元模态分析

采用ANSYS有限元软件，根据子空间迭代法对嘉峪关古建筑城楼进行模态分析，得到城楼前六阶自振频率如表3所示。

表3 城楼前六阶自振频率模拟值 Hz

将现场实测结果与有限元模态分析结果进行对比，如图9所示。可以看出两条曲线基本一致，相差最大的为三阶自振频率，差值为27%。

图9 现场实测与模拟结果对比图

3 结束语

本文采用现场动力测试与有限元模态结合的方法对嘉峪关古建筑木结构城楼的动力特性进行研究，研究结论如下：

（1）采用CMG-5TCDE加速度传感器对嘉峪关古建筑城楼开展了动力测试试验，获得城楼振动速度、自振频率等参数，并将城楼柱顶振动速度与规范要求值进行对比，结果表明嘉峪关古建筑城楼振动速度在规范允许范围内。

（2）采用ANSYS有限元软件对嘉峪关古建筑城楼进行模态分析，得到结构前六阶自振频率，将模拟值与现场实测值进行对比，二者结果基本一致。

（3）现场实测与有限元模拟结果可为古建筑城楼安全评估提供参考，也可为类似建筑形式的古建筑城楼抗震抗风方面提供参考。