大乘寺后寺配殿抗震性能分析

张 宇

(齐齐哈尔大学建筑与土木工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)



大乘寺后寺配殿抗震性能分析

张 宇

(齐齐哈尔大学建筑与土木工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

齐齐哈尔是地处6度抗震设防烈度地区，结合大乘寺后寺配殿的结构特点，研究了其抗震机理，根据现有相关的规范和设计准则，对后寺配殿的主要构件进行承载力验算，结果表明，后寺配殿少部分构件截面的承载力不满足抗震设防的要求，进而提出了一些后寺配殿的抗震加固建议。

大乘寺，抗震机理，承载力，稳定性

齐齐哈尔大乘寺始建于1943年，是60多年前保存最为完整的寺庙建筑之一，它坐落于黑龙江省齐齐哈尔市繁华的市中心，占地面积3.1万m2，是黑龙江省内规模最为宏大的寺庙建筑群。大乘寺分为前寺和后寺，两寺仅有一墙之隔，其中后寺又分为山门、对厅、前殿、后殿、配殿等建筑，配殿见图1。本文以后寺配殿为研究对象，对其抗震机理进行分析，并对后寺配殿的结构构件进行承载力验算，得到一些加固措施的建议。

1 结构抗震机理

1)台基的抗震机理。台基也叫基座，指的是木结构的古建筑地基与柱底间用砖或石包裹的部分，沿边角设置的石材起到了嵌角镶边的作用，能很好的保护边角不被损害，同时也有效的控制了台基的侧向位移，提高了台基的稳定性[1]。从结构抗震的角度讲，台基有利于维持上部结构的整体性。台基地面将整个结构与自然地面分隔开，而台基充当了整个结构的底座。当自然地面和人工台基的刚度相差较大时，台基就首先起到了很好的隔震作用，过滤掉一些地震的峰值。另一方面，台基相对柱子尺寸较大，能使基底的受力更加均匀，有效减少不均匀沉降。

2)铺作层的抗震机理。铺作层指的是柱框层与梁架层中间部分的过渡层，承受屋盖的荷载并转化成集中荷载传递到柱框层，进而传递到基础。由于铺作层本身柔性的特点，它可以有效的防止震动和冲击，通过层间的滑移和变形来吸收震能。斗拱是铺作层的重要组成部分，一般放在梁下部并向两边挑出，斗和拱是两个基本构件，以弹性较好、材质比较均匀的松木、柏木为主要材料。在外力作用下，斗拱的整体可以横竖两个方向转动，它从受力角度看类似于弹簧减震支座，有一定的缓冲和减震的作用，能有效的防止应力集中，保持结构稳定[2]。

2 抗震承载力验算

2.1 计算简图和基本假定

后寺配殿的结构形式为3层砖木结构，主体为抬梁式木框架结构体系。3层横纵向均有一跨，跨度为2 330 mm，柱高H3=2 700，柱直径d=230 mm；2层横纵向均有一跨，跨度为2 790 mm，柱高H2=3 000，柱直径d=230 mm；1层横纵向均有3跨，跨度依次为800 mm,3 240 mm,800 mm，木柱柱高H1=3 690 mm，柱直径d=230 mm。首层的计算模型和计算单元的选取如图2，图3所示。各层边柱采用砖墙包柱形式，受到墙体的约束作用，提高了一定的抗侧能力，故柱底简化为固定。而柱顶端，由于抬梁与木柱之间没有强锚固约束，故柱顶简化为铰接形式。横向框架梁视为刚性无穷大构件，即在侧向水平荷载作用下忽略其自身弹性变形，各柱柱顶水平位移相等。

2.2 重力荷载代表值

根据大乘寺后寺配殿的实测图纸，考虑计算单元并且结合GB 50009—2001建筑结构荷载规范[3]，经计算得到的竖向荷载值如表1所示。

表1 竖向荷载值 kN

2.3 水平地震荷载

根据GB 50011—2010建筑抗震设计规范[4]可知齐齐哈尔地区为6度抗震设防地区，场地类别为Ⅱ类，设计分组为第二组。后寺配殿的安全等级为一级，按照乙类建筑来计算。规范提出的计算方法是底部剪力法对横向水平地震作用进行计算，根据柱子的抗侧移刚度进行剪力分配求得各柱子剪力，最后根据结构力学方法求得柱底弯矩。

根据《古建筑木结构维护与加固技术规范》[5]中关于地震周期的计算公式得出：

T1=0.05+0.075H=0.05+0.075×4.635=0.398 s。

查《建筑抗震设计规范》得Tg=0.35，αmax=0.04，由于T1>Tg，根据地震影响系数曲线可知，α1=ηαmax=0.95×0.04=0.038。

根据《古建筑木结构维护与加固技术规范》公式(4.2.3)计算地震作用，有FEK=0.72α1Geg，其中Geg=1.15GE，则:

FEK3=0.72×0.038×1.15×436.35 kN=13.73 kN；

FEK2=0.72×0.038×1.15×915.85 kN=28.80 kN；

FEK1=0.72×0.038×1.15×1 957.6 kN=61.60 kN。

2.4 构件的内力计算及内力组合

由于3层结构属于内缩式框架，而且柱子数目不同，所以应分层计算。3层及2层均有4个边柱，1层有16个柱子，受力按中柱和边柱分别均匀受力。

据每根柱受荷面积计算出恒载作用下各柱承担的轴力NGki，3层和2层柱子对称，故N3Gk1=N3Gk2=N3Gk3=N3Gk4=30.3 kN；同理N2Gk1=N2Gk2=N2Gk3=N2Gk4=123.25 kN。

1层边柱：N1Gk1=53.15 kN；1层中柱：N1Gk2=106.3 kN。

根据《古建筑木结构维护与加固技术规范》取活荷载为不上人屋面荷载标准值0.7 kN/m2，上人屋面荷载标准值2.0 kN/m2。

则根据每根柱受荷面积计算出活载作用下各层柱承担的轴力NQki为：N3Qk=1 kN;N2Qk=4 kN；1层边柱：N1Qk1=2.35 kN；1层中柱：N1Qk2=4.69 kN。

柱内力控制截面取柱底截面，并考虑抗震设计内力组合和非抗震设计内力组合，具体组合情况如表2和表3所示。

表2 3层和2层各柱弯矩和轴力组合

表3 1层各柱弯矩和轴力组合

2.5 构件截面承载力验算

根据已求出的各柱最不利内力，根据GB 50005—2003木结构设计规范[6]查得相关计算参数和计算公式，校核各木柱强度以及稳定性是否满足要求。

3层柱抗压弯强度的验算中最不利内力M=12.1 kN·m，N=41.9 kN，圆柱d=230 mm2，查规范得到各参数如下：

γ0=1.1，fm=17×0.9=15.3 N/mm2,fc=15×0.9=13.5 N/mm2，fv=1.6×0.9=1.44 N/mm2。

根据文献[8]中压弯强度计算公式：

(1)

将各参数代入，计算如下：

故3层柱的抗压弯强度满足承载力要求。

稳定性验算中各参数如上，根据如下公式计算：

(2)

故3层柱稳定性满足要求。

1层中柱稳定性满足要求，抗压强度满足承载力要求。

3 工程加固设计建议

大乘寺后寺配殿框架抗震承载力不完全满足要求，经计算后寺配殿各柱进行加固处理后的2层柱直径满足d≥300 mm，1层边柱进行加固处理后的边柱直径满足d≥310 mm，即可满足抗震承载力的要求。为了最大程度的保持古建筑的价值，加固施工应尽量不破坏原有结构，因此不可大面积置换原有构件，根据这个原则对后寺配殿进行以下的加固：1)增加柱的总截面面积是最为有效的加固方法，提高柱子强度的同时还能增加稳定性。可在木柱与墙体交接的位置设置构造柱，必要时在原结构柱两侧布置构造柱，然后沿柱子高度方向每隔一定距离设置拉结钢筋。研究表明单侧布置构造柱时强度提高了40%以上，双侧布置构造柱时强度提高了50%～110%，后寺配殿需要加固的柱采用单侧布置构造柱即可满足强度要求，为了大限度提高整体稳定性，采用双侧布置，构造柱直径为200 mm。2)基于大乘寺后寺配殿的部分柱子或柱子的部分截面存在着裂缝和腐蚀的情况，横向约束法也是一种非常行之有效的方法。可在柱子需要加固的部位或满柱间断环箍玄武岩纤维布，粘结剂为纤维布配套环氧树脂。研究表明以100 mm为间距粘贴纤维布单层加固时承载力可提高10%～20%，后寺配殿采用间距为70 mm双层布置纤维布即可满足承载力的要求。3)为了更好的保证后寺配殿的抗震性，还应加强一些细部构造上的维护措施。

4 结语

本文对齐齐哈尔大乘寺后寺配殿进行抗震机理的分析。柱底的台基起到了隔震减震的作用，并给予柱子足够的锚固力。柱顶铺作曾的榫卯体系和斗拱也具有足够的弹性，起到一定的缓冲作用。通过现有抗震规范和古建筑规范中的相关要求对后寺配殿的主要构件进行抗震承载力的复核，发现边柱的承载力不满足计算要求，进而给出了增设构造柱和粘贴纤维布等加固设计建议。

[1] 权吉柱.木结构古建筑殿堂型结构的耗能减震机理分析[D].西安:西安建筑科技大学，2007：13-21.

[2] 李国强，李 杰，苏小卒.建筑结构抗震设计[M].北京：中国建筑工业出版社，2009：27-91.

[3] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[4] GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].

[5] GB 50165—92，古建筑木结构维护与加固技术规范[S].

[6] GB 50005—2003，木结构设计规范[S].

Seismic behavior analysis of the back hall in Dacheng temple

Zhang Yu

(SchoolofArchitectureandCivilEngi.,QiqiharUniv.,HeilongjiangQiqihar161006,China)

Qiqihar is located 6 degree earthquake intensity area, study its seismic mechanism combined with the structure characteristics of Dacheng temple. Then calculating the bearing capacity to the main components of the hall combined with the existing relevant specification and design guidelines, the results show that the bearing capacity of a small part of components section does not meet seismic requirements, and then puts forward some opinions in view of the back temple hall in seismic strengthen aspects.

Dacheng temple, anti-seismic mechanism, bearing capacity, stability

1009-6825(2016)24-0047-03

2016-06-11

张 宇(1988- )，男，硕士，助教

TU352

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