应县木塔隔震性能分析

崔利富，孙建刚，李 琦

(1.大连海事大学道路与桥梁工程研究所，辽宁大连116026;

2.大连民族学院土木建筑工程学院，辽宁大连 116605)

应县木塔隔震性能分析

崔利富1，孙建刚2，李 琦2

(1.大连海事大学道路与桥梁工程研究所，辽宁大连116026;

2.大连民族学院土木建筑工程学院，辽宁大连 116605)

为了降低应县木塔的地震响应，采用基础隔震措施，基于ADINA有限元分析程序，对应县木塔的简化计算模型进行了基础隔震地震响应分析。结果表明，基础隔震措施能够延长结构的自振周期，避开场地的卓越周期;隔震效应与场地和隔震层阻尼比有关，需要综合考虑选取最佳场地和隔震层阻尼比。关键词:应县木塔;基础隔震;ADINA软件;地震响应

关于应县木塔的研究，主要集中于风振、损伤、抗震性能数值分析方面，针对加固措施方面的研究较少。本文将应县木塔的基础加入隔震层进行模拟计算，并将其与非隔震结构的地震响应做进一步的比较。

1 有限元模型建立

1.1 应县木塔工程概况

木塔于辽清宁二年(公元1056年)开始建造，塔高67.13 m，塔的每层平面都呈八角形，从外表看来，只有5层，但内部设4层暗层，所以共为9层。各层檐下均设置斗拱，种类多达数十种。上部塔刹14 m高，造型挺拔，十分雄伟［1］。木塔设有内外两槽立柱，形成了双层的套筒式结构。在塔的暗层中运用了大量的斜撑，其作用是提高木塔的整体性。

1.2 应县木塔有限元模型建立

根据相关的实验测定，木塔的材料取老化后木材的相关材料属性，即木材的顺纹弹性模量为7E9 N·m－2，横向弹性模量为1.5E9 N·m－2，剪切模量为 GXY=GYZ=GXZ=9.54E8 N·m－2，泊松比取为μXY=μYZ=μXZ=0.1，密度取510.2 kg·m－3［2］。

模型中梁截面为矩形(25.5cm×17cm);柱截面为圆形，直径为60 cm［3］。将梁柱取为Beam单元，因它是根据对所选材料的特性和截面尺寸进行刚度计算，可以定义端点的自由度松弛和刚性端［4］。对于柱脚和柱础的平搁连接以及隔震层模拟，采用弹簧单元来模拟。建立的计算模型如图1。

图1 非隔震结构与隔震结构模型

2 隔震与非隔震结构的地震响应分析对比

2.1 结构固有特性对比分析

非隔震模型和隔震模型的一阶振型如图2。

从一阶振型可以看出，隔震结构的变形明显小于非隔震结构的变形，可见，隔震结构延长了结构的自振周期，能够避开场地的卓越周期，其变形趋于平动。

图2 非隔震模型和隔震模型一阶振型比较

2.2 不同工况下结构的地震响应对比分析

2.2.1 不同地震动输入

不同地震动输入下，隔震结构和非隔震结构的地震响应结果见表1和表2。

表1 不同地震动输入下隔震与非隔震结构各层柱端位移

从表1可以看出，两种结构的各层位移随着层数的增加在不断的加大，但隔震结构的增长幅度要小于非隔震结构，说明隔震装置对结构的减震耗能起到了良好的作用。

表2 不同地震动输入下隔震与非隔震结构加速度对比

表2表明，采取隔震措施后，隔震结构的加速度响应明显降低，趋近于平动，达到了减震的目的。

图3 位移曲线

2.2.2 不同隔震层阻尼比

隔震层阻尼比不同时，结构的地震响应如图3和图4。

图4 加速度曲线

从图3和图4可以看出，隔震结构的阻尼比不同，隔震效果不同，对位移影响较为明显，阻尼比越大，位移越小，说明起到了耗能减震的作用。在实际工程设计中，可以用增大阻尼比的方法来减小结构的各层位移。

3 结论

(1)基础隔震装置能够有效地减小结构在地震中的位移及加速度响应。

(2)基础隔震装置能够延长建筑结构的自振周期，从而使建筑物避开场地卓越周期，趋近于平动。

(3)在实际结构设计中，可以通过增大结构的

阻尼比来实现降低结构位移的目的。

［1］张建丽.应县木塔残损状态实录与分析［D］.太原:太原理工大学，2007.

［2］孙晓洁.殿堂型木构古建筑抗震机理分析——斗棋演化隔震的有限元动力分析［D］.成都:西南交通大学，2009.

［3］王钰.应县木塔扭、倾变形张拉复位的数字化模拟和安全性评价［D］.扬州:扬州大学，2008.

［4］岳戈，陈权.ADINA应用基础与实例详解［M］.北京:人民交通出版社，2008.

Isolation Performance of Ying County Wooden Pagoda

CUI Li－ fu1，SUN Jian － gang2，LI Qi2
(1.Institute of Road and Bridge Engineering，Dalian Maritime University，Dalian Liaoning 116026，China;
2.College of Architecture ＆ Civil Engineering，Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

In order to reduce the seismic response of Ying County Wooden Pagoda，base isolation measures are taken.Based on finite element analysis program ADINA，the base isolating seismic response is analyzed for simplified calculation model of County Wooden Pagoda.The results showed that base isolation measures can prolong the natural cycle of the structure and avoid the predominant period of the site.The isolation effect is related to the site and the damping ratio of isolation layer，which needs to comprehensively consider the selection of the best site and damping ratio of isolation layer.

Ying County Wooden Pagoda;base isolation;ADINA software;seismic response

TU352

A

1009－315X(2012)01－0056－03

2011－06－29;最后

2011－10－26

崔利富(1982－)，男，黑龙江五常人，大连海事大学道路与桥梁工程研究所博士研究生，主要从事防灾减灾工程及防护工程研究。

(责任编辑 邹永红)