基礎剛度對磚石古塔地震響應影響研究①

蘆　葦,趙　冬,王玉蘭

(1.西安建筑科技大學土木工程學院,陜西 西安 710054; 2.西安建筑科技大學理學院,陜西 西安 710054)

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基礎剛度對磚石古塔地震響應影響研究①

蘆葦1,趙冬2,王玉蘭1

(1.西安建筑科技大學土木工程學院,陜西 西安 710054; 2.西安建筑科技大學理學院,陜西 西安 710054)

以西安萬壽寺塔糾偏工程為研究背景,分別建立增加圈梁、圈梁-地梁組合以及圈梁-地梁-托盤組合模型下的塔體與基礎協(xié)同工作模型。采用時程分析法,對不同基礎剛度條件下塔體的地震響應進行分析及評估,結果表明:(1)增大基礎剛度的同時結構的地震位移響應將會被放大,但應力時程曲線的波動范圍隨之縮小、幅值減小;(2)增設圈梁時由于塔底三向受力,塔底應力將被放大;(3)進行基礎完全托換能夠大幅改善塔底在地震作用下的受力狀態(tài)。在塔體加固維修時應綜合考慮地震作用下塔體的位移放大效應與塔體應力分布的影響,選取合適的基礎剛度。

磚石古塔; 基礎剛度; 地震響應; 應力; 位移

0　引言

針對大多古建筑磚石結構自身基礎剛度弱這類關鍵性結構缺陷,現有工程實例基礎加固措施多采用在塔體底部增設圈梁,再設置地梁,最后安裝托盤基礎的加固方法[1-4]。但加固的塔體因基礎剛度變化而引起抗震性能改變這類問題的研究,則尚未展開。

本文以西安萬壽寺塔為研究背景,對糾偏加固后磚石古塔在不同基礎剛度條件下塔體的地震反應變化進行對比分析。

1　工程概況

萬壽寺藏經塔位于西安市東郊萬壽中路,為市重點文物保護單位。該塔始建于萬歷年間(明),樓閣式,共6層,塔身通高22.5 m,平面呈六角形,青磚黃泥砌筑,底層實心。古塔多年向西北方向傾斜,近來傾斜加劇。為拯救岌岌可危的古塔,專家先暫時采用大型鋼桁架支撐的方法阻止塔體傾斜趨勢的發(fā)展,支撐設在塔重心點附近,即第3、第4層西北面,如圖1(a);后經過研究制定糾偏加固措施,即鉆孔掏土糾傾、基礎加固、地基托換、整體頂升等工程措施,將古塔扶正,現處于安全狀態(tài)[圖1(b)]。

圖1　萬壽寺塔糾偏前后對比Fig.1　Comparison chart of the wanshou Tower before and after rectification

萬壽寺塔的幾何尺寸如表1所列。

表1　萬壽寺塔幾何尺寸

2　動力測試

2.1動力測試方案

本工程采用脈動法[5]來測定分析結構物的動力特性。

(1)測試設備

選取DH5920動態(tài)信號測試分析系統(tǒng),并通過DHMA實驗模態(tài)分析系統(tǒng)對結構的模態(tài)參數進行動力特性分析;傳感器采用磁電式水平速度傳感器(型號為DH610H),頻率范圍0.1～100 Hz[6]。

(2)測點布置

采取同步測試法獲得古塔的動力特性參數。此方法需在古塔各層布置傳感器并同步采集脈動信號,以一層為一個固定參考點,每個測點均從南北和東西2個方向進行采樣,每次采樣30 min。各測點布置如圖2所示。

(3)采樣頻率

現場測試原始信號的頻率為30 Hz,采樣頻率取為100 Hz,主要分析萬壽寺塔結構前4階自振頻率。

圖2　測試點布置示意圖Fig.2　Schematic diagram arrangement of test points

為減少傳感器精度對實測結果的影響,實測前要對各傳感器進行規(guī)一化驗證,保證各個通道的反應是同方位的[6]。

(4)結構自振頻率確定

利用DHMA實驗模態(tài)分析系統(tǒng)對結構的模態(tài)參數進行分析,得到結構前4階固有頻率(表2)。

表2　陣型相關矩陣校驗

3　數值模型

用反演法確定模型參數,即先擬定有限元模型材料屬性,彈性模量E為待定參數,將有限元模型的模態(tài)分析結果與現場測試的整體動力特性結果加以對比,以結構周期T或頻率為目標值。通過不斷修改待定參數,使計算所得到的周期或頻率與實測值(即動力測試結果)接近,得到塔體材料彈性模量E=900 MPa。

由此建立ANSYS模型,將結構前3階振型同動力特性測試值結果相比較。由于脈動法測得的數據是與地基的相對值,在模型計算時只計算塔體模型(不加地基)。整理后的動力特性測試的數據與計算分析結果對比見表3。

表3　動力特性測試與模型計算頻率值比較

前三階頻率與實測值相差不大,偏差來源于均質材料模型的簡化、材料參數選取有限元網格劃分及模型材料參數值的設定。因此認為此模型較好地反映了古塔結構的彈性階段的材料性能,能夠可靠模擬結構在地震作用下的狀態(tài)。

4　地震響應分析

4.1基礎剛度調整方案

(1)增設圈梁

按照工程加固古塔的實際情況,在上述模型塔底增設高400 mm的混凝土封閉圈梁加固,混凝土強度為C30。

(2)增設地梁

按照加固措施,加固圈梁后,再在塔底及圈梁下增設高900 mm的C30混凝土封閉地梁。

(3)增設托盤

在圈梁與墊梁的基礎上,塔底增設高600 mm的C30混凝土托盤,托盤材料參數同圈梁。模型示意如圖3。

圖3　不同基礎剛度方案示意圖Fig.3　Schematic diagram of different foundation stiffness

4.2地震波選取

根據萬壽寺塔所處場地條件[7-8],建立地基與塔體協(xié)同工作模型。選取El-Centro波并進行調整,原始地震波特性如表4所列。應用時程分析法,對不同基礎剛度條件下萬壽寺在水平地震作用下的位移和應力狀態(tài)進行分析。

表4　El-centro波主要特性

選取El-Centro波對塔體震害影響較大的前10 s,按照相應于Ⅷ度多遇地震將地震波峰值加速度調整為70 gal(圖4)后作為地震動輸入?？紤]塔體的材料脆性及結構塑性變形能力較差,本文僅對古塔在彈性階段的地震響應進行分析[9-10]。

圖4　調整后的El-Centro波加速度時程曲線Fig.4　Acceleration time-history curve of adjusted El-Centro wave

4.3不同基礎剛度對塔體的地震反應分析

采用完全法對三種基礎剛度條件的模型進行時程分析,考慮模型對稱性,僅輸入一個水平方向的El-Centro地震波,得到塔體水平位移響應。

(1)位移反應對比分析

由圖5、圖6及表5可看出,隨著基礎剛度增大,水平位移反應增加,增設托盤的位移最大,增設圈梁時位移最小,塔頂偏離塔體角度也隨之增加,塔體的位移地震響應越明顯。故隨著塔體基礎剛度變大,上部結構位移響應隨之增大。因此在加固時應特別注意過大的基礎剛度對結構地震位移響應的放大作用,注意實時監(jiān)測及位移控制。

(2)應力響應對比

圖5　不同基礎剛度塔頂水平位移時程曲線Fig.5　Horizontal displacement time-history curve of tower top with different foundation stiffness

圖6　不同基礎剛度一層檐口水平位移時程曲線Fig.6　Horizontal displacement time-history curve of the first- floor cornice with different foundation stiffness

表5　塔體位移與塔高比

在塔體底部選取a、b兩點(圖7),提取塔體-基礎-地基協(xié)同作用時三種基礎剛度條件下a、b兩點的第一、三主應力反應,分析其在地震波作用下的應力狀態(tài),并歸納a、b兩點的主應力差值,即應力時程曲線的幅值,如表6所列。

圖7　a、b點位置示意圖Fig.7　Location of test point a and b

表6　不同基礎剛度塔底應力幅值

隨塔體基礎剛度的增大,塔體a,b兩點應力變化趨勢基本相同,即主應力均隨之減小。從圖8～9看出,地震波作用下僅增設圈梁時塔底應力遠大于其他兩種基礎剛度條件(應力值約為其他兩種情況的40～50倍),這是由于僅用圈梁加固時,在三向受力狀態(tài)下,“箍”效應下受地震力影響,應力峰值被放大。而從增設地梁到增設托盤這兩種基礎剛度條件下,轉化為以“托換”產生的整體效應為主,隨基礎剛度增大,塔底應力分布趨于均勻,塔底角點的應力受基礎剛度影響,使塔體底部受到的地震作用被削弱。這說明塔體基礎加固,尤其是進行基礎完全托換,將對塔體受力狀態(tài)有很大改善。a、b兩點主應力差值隨塔體基礎剛度的增大而減小,即塔體應力變化范圍縮小(表6)。因此較大的基礎剛度亦可減小地震作用下結構的應力變化幅值,防止出現局部因受力過大產生破壞。對基礎進行完全托換能夠從根本上避免結構因受地震造成的應力損傷。

圖8　不同基礎剛度塔底a點第一、第三主應力時程曲線Fig.8　The first and third principal stress time-history curve of point a with different foundation stiffness

圖9　不同基礎剛度塔底b點第一、第三主應力時程曲線Fig.9　The first and third principal stress time-history curve of point b with different foundation stiffness

5　結論

基于時程分析法,選取El-Centro波并進行調整,建立基礎為圈梁、圈梁-地梁組合及圈梁-地梁-托盤組合三種工況下的協(xié)同工作模型,進行地震響應分析,并提取塔頂、一層檐口水平向位移及塔底a、b點第一、第三主應力,分析其變化規(guī)律,結論如下:

(1)在水平單向地震波作用下,隨著基礎剛度增加,塔體水平向位移響應隨之增大,塔體容易因位移過大發(fā)生破壞。基礎剛度增大對塔體結構位移響應有放大作用。

(2)在水平單向地震波作用下,隨基礎剛度增加,塔體應力峰值減小,分布趨于均勻。當基礎僅設置圈梁時,由于塔底處于三向受力狀態(tài),“箍”效應明顯,在地震作用下應力反而增大,但在增設地梁和增設托盤這兩種基礎剛度條件下,應力時程曲線波動范圍隨基礎剛度增大而縮小,應力反應幅值減小,塔體受到的地震作用削弱。這說明塔底應力對基礎剛度條件敏感,較大的基礎剛度能夠削弱地震波作用下塔底的應力響應,避免結構因受地震力造成破壞。特別是進行基礎完全托換,能夠大幅改善塔底在地震作用下的受力狀態(tài)。

(3)在對塔底基礎進行加固時,應充分考慮地震作用下塔體的位移放大效應與塔體應力分布影響,選取合適的基礎剛度方案。

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Impact of Foundation Stiffness on the Seismic Response of Ancient Masonry Pagoda

LU Wei1,ZHAO Dong2,WANG Yu-lan1

(1.School of Civil Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710054,Shaanxi,China;2.School of Science,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710054,Shaanxi,China)

Using the Wanshou Pagoda restoration project in Xi'an city as the research focus,this paper discusses the establishment of a cooperative work model for the pagoda body and foundations using three different types of foundation stiffnesses (setting ring beam,combination of ring beam and ground beam,and combination of ring beam,ground beam and tray).Field tests are conducted to determine the dynamic characteristics of the pagoda body using the pulsating method,and results are used as a reference for verifying the reliability of the simplified numerical model.Seismic waves (EL-Centro)under the same site conditions are selected as the horizontal excitation acting on the foundation.With an understanding of the pagoda's brittleness,this paper analyzes only the dynamic response in the elastic stage.A time-history analysis method is used to analyze the stress and displacement response law under different foundation stiffness conditions,and during displacement analysis the top of pagoda and 1F eave are selected as displacement monitoring points.The maximum horizontal displacement is found to increase with an increase in foundation stiffness,and the dip angle of the pagoda correspondingly increases.For stress analysis,two points,"a" and "b",from the pagoda bottom are selected as monitoring points,and the first and third principal stress-time curves of the two points are analyzed with different foundation stiffnesses.With an increase in foundation stiffness,the first and third principal stress at point "a" drops significantly,and the stress change trend at point "b" is similar to that at "a".It should be noted that when only the ring beam is set,the peak stress at the pagoda bottom is about 40～50 times that of the other foundation forms.The analysis results show that:(1)with an increase in foundation stiffness there is amplification of the seismic displacement response of the pagoda structure,but a reduction in the fluctuation range of the stress time-history curve; (2)the stress state of the pagoda bottom is sensitive to foundation stiffness,and as the pagoda bottom is in a tri-axial stress state when the ring beams are added its stress is magnified; (3)underpinning the entire foundations would significantly improve the stress state of pagoda bottom under seismic action,and also have a positive effect on the shear stress control of the pagoda body.However,when reinforcing the pagoda body and determining the appropriate foundation stiffness,it is necessary to comprehensively consider the displacement amplification effect of the pagoda body,and the stress distribution of pagoda bottom under seismic action.

ancient masonry pagoda; foundation stiffness; seismic response; stress; displacement

2015-07-08

蘆葦(1988-)，男，陜西延安人，博士研究生，從事古建筑加固及維修工程研究。E-mail：281081454@qq.com。

TU746.3

A

1000-0844(2016)04-0498-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0498