北方聚落钢筋混凝土仿古牌楼设计与安全分析

田莉梅 朱海珍 张官盟 张景华

【摘   要】  以传统的钢筋混凝土仿古牌楼（四柱三间）为例，在水平地震力和风荷载共同作用下，通过有限元软件对钢筋混凝土仿古牌楼的安全性进行分析评价，找出薄弱点并提出安全措施，为仿古牌楼的设计与施工建造提供参考。

【关键词】  钢筋混凝土；仿古牌楼；安全评价

Design and Safety Analysis of Reinforced Concrete Archway

in Northern Settlements

Tian Limei 1， Zhu Haizhen1， Zhang Guanmeng2， Zhang Jinghua2*

（1. Langfang Normal University， Langfang 065000， China；

2. China Petroleum Pipeline Engineering Corporation， Langfang 065000， China）

【Abstract】    This paper takes the traditional reinforced concrete antique archway （with four pillars in the front direction， with three space in the middle） as an example. Under the combined action of horizontal seismic force and wind load， the safety of reinforced concrete antique housing window is analyzed and evaluated through finite element software， and the weak points are found out and the safety measures are proposed to provide reference for the design and construction of antique archway.

【Key words】     reinforced concrete; antique archway; safety evaluation

〔中图分类号〕  K928.71               〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2023）01- 0065 - 05

0     引言

牌楼，亦名牌坊，最初是从中国古代门阙类的建筑形式中独立出来［1］，逐步发展成形式、功能多元化的独立建筑形式，遍布中国甚至华人所在的世界各地，经常作为建筑群轴线上的开端或建筑群的序景，有着重要的标示作用。现代城市建设中牌楼多作为传统特色的标志物，建于风景区或街区等入口位置，多为钢筋混凝土结构。近年来，部分牌楼发生了垮塌、顶冠坠落等事故。本文采用有限元分析软件在水平地震力和风荷载作用下，对钢筋混凝土仿古牌楼的冠顶和下部框架结构进行数值模拟分析，对其安全性进行评价，为仿古牌楼的设计和施工提供参考。

1      仿古牌楼的现状及存在的问题

传统牌楼建筑的平面呈一字形，无依无傍，其能数百年不倾覆，关键是因为采取了一定的技术措施［2］，如柱子、基礎深埋、下架应用夹杆石、戗杆支撑、上架大挺钩支撑等［3］。仿古牌楼多为钢筋混凝土结构［4］，彰显传统建筑文化的魅力。但是，近年来由于狂风暴雨等极端天气增多，导致有些传统聚落的仿古牌楼倒塌、冠顶坠落等事故发生，给人们的生命财产造成严重威胁。从破坏情况看，仿古牌楼设计存在缺陷，确保安全的配筋情况以及抵御风荷载和地震荷载的结构强度不够。

2     工程概况

2.1   四柱三间钢筋混凝土仿古牌楼设计

以应用较广的四柱三间七楼仿古钢筋混凝土牌楼为工程背景进行研究。牌楼平面、立面及剖面如图1、图2所示，柱子截面尺寸为500mm×500mm；板厚80mm。采用有限元软件MIDAS GEN 2019 V2.1进行结构受力分析，为工程应用提供安全保障。

2.2   计算原理与参数设置

四柱三间C30钢筋混凝土仿古牌楼位于河北省石家庄市某县，7度 0.1g 第二组场地类别Ⅱ类（假设）。基本风压[w0=0.35kN/m2]，按城郊B类（假设）。风压高度变化系数取20m，[μz=1.23]，迎风面体型系数[μs=1]，考虑风振系数[βz=1.2]，则有：

[wk=βzμzμsw0=1.2×1.23×1×0.35=0.5166kN/m2]，牌楼力学分析模型中相应的物理力学参数如表1所示。

对牌楼冠顶和框架分别单独建模，荷载输入时，考虑古建筑施工工艺做地仗及油饰彩绘等做法，取1.05倍自重。冠顶计算完成后，把其支座处的荷载标准值以节点荷载（恒载）形式输入牌楼框架相应节点上。牌楼整体、冠顶及底部框架三维模型如图3、图4、图5所示。

2.3   荷载组合

对牌楼冠顶进行风荷载作用计算、自重荷载作用计算下，对牌楼底部框架进行风荷载、自重荷载和冠顶荷载组合工况下力学分析，牌楼冠顶荷载组合及牌楼底部框架荷载组合见表2和表3。

3     鋼筋混凝土仿古牌楼的应力分析

3.1   下部框架结构应力计算分析

在重力荷载、风荷载、地震荷载作用下，根据荷载组合进行应力分析计算，荷载组合包络值作用下的应力图如图6、图7所示。

主框架应力值最大处位于框架柱底部，应力值为-9048.88kN/m2，应力值最小处位于框架柱顶部，应力值为-116.21kN/m2。

主框架板单元应力值最大处位于平板枋、大额枋与框架柱交接处，应力值为4450.81kN/m2，应力值最小处位于框架柱顶部，应力值为48.79kN/m2。

3.2   上部冠顶应力计算分析

冠顶1、2、4、6的应力计算云图如图8、图9、图10和图11所示。

冠顶1、冠顶4、冠顶6最大应力均位于支座处，冠顶1最大应力为16438.71 kN/m2，冠顶4最大应力为17800.61 kN/m2，冠顶6最大应力为3948.34 kN/m2。

冠顶2最大应力位于支座以及与之相连的平板枋处，最大应力为1277.14kN/m2。

4     钢筋混凝土仿古牌楼的位移分析

4.1   下部框架结构位移计算分析

在重力荷载、风荷载、地震荷载作用下，根据荷载组合进行位移分析计算，荷载组合包络值作用下主框架位移图如图12-图14所示。

主框架在x、y、z方向的位移中，y方向位移最大；在三个方向位移等值线图中，位移最大部位均在与冠顶连接的平板枋处，此处位移最大值为0.046m。

4.2   上部冠顶结构位移计算分析

上部冠顶位移计算模型如图15所示，以冠顶1为例，位移等值线如图16-图18所示。

计算可知，上部冠顶1在x、y、z方向的位移中，z方向位移最大，y方向位移次之，x方向位移最小；在z方向位移等值线图中，位移最大值位于顶板边缘处，此处最大值为0.016m；在y方向位移等值线图中，位移最大值位于屋脊处，此处最大值为0.010m。

5      结论

（1）经过应力计算分析发现，牌楼结构承担荷载的薄弱点及最易产生强度破坏的位置为：框架柱底部应力最大，最大有效应力为9048.88 kN/m2；冠顶支座处和与之相连的平板枋部位应力最大，其中冠顶4支座处最大应力为17800.61 kN/m2，冠顶2最大应力位于支座与平板枋处，最大应力为1277.14kN/m2。

（2）经过位移计算分析发现，牌楼结构位移较大的位置为：主框架位移最大值出现在冠顶与平板枋的连接部位，此处位移最大值为0.046m；各冠顶位移最大值位于牌楼冠顶的脊檩处及屋面板边缘处，最大值分别为0.016m、 0.010m。

基于以上分析，设计牌楼时，应遵守强节点弱构件的抗震设计基本原则，增大冠顶与底部框架连接处支座截面；重视冠顶顶板强度和连接节点设计，进行充分有效的受力计算分析和位移计算分析，根据计算结果，采用合适的材料、截面和节点连接形式，以确保牌楼的安全。

［参考文献］

［1］常亚平，刘建昭. 山西乡村牌楼［N］. 太原日报，2021-12-08（7）.

［2］ 毛东建.某石牌楼被车辆撞击后损伤有限元分析［J］.江苏建筑，2022（3）：38-41.

［3］ 木混结构仿古牌楼施工工法［C］//.第二届营造技术的保护与创新学术论坛会刊，2010：45-47.

［4］ 姜磊，程建军.混凝土仿古建筑设计与施工［J］.施工技术，2013，42（14）：106-108.