江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑模型修正方法研究

淳慶 華一唯 張承文 孟哲

摘? ? 要：為研究江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑圍護結(jié)構(gòu)對整體結(jié)構(gòu)受力性能的影響，并為該類型建筑的抗震和抗風(fēng)計算提供依據(jù)，以典型江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑——甘熙故居津逮樓為例，采用有限元分析和結(jié)構(gòu)動力特性測試的方法對該類型傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)模型修正方法進行研究.首先，采用SAP2000有限元軟件分別建立了不考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)的一種模型和考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)的3種修正模型，并進行結(jié)構(gòu)動力特性分析;然后，采用結(jié)構(gòu)動力測試分析系統(tǒng)對建筑進行現(xiàn)場測試，并將測試結(jié)果與3種修正模型計算結(jié)果進行比較分析.結(jié)果表明：相比于不考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)，考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)后3種修正模型的前三階自振頻率明顯提高，等效斜撐模型的提高幅度為220%～307%，等效斜撐+幕墻墻元模型的提高幅度為228%～345%，而整體簡化模型的提高幅度為230%～295%，但第一階振型和第二階振型發(fā)生了明顯改變.等效斜撐模型的計算結(jié)果最接近真實測試結(jié)果，誤差在15%范圍以內(nèi)，是最優(yōu)的修正模型.等效斜撐+幕墻墻元模型的計算結(jié)果與實測結(jié)果的誤差基本在20%以內(nèi)，是其次可接受的修正模型.而整體墻元模型的計算結(jié)果與實測結(jié)果嚴(yán)重不符.對該類型傳統(tǒng)木構(gòu)建筑進行振動響應(yīng)分析、風(fēng)振作用下的受力性能分析、多遇地震作用下的彈性受力性能分析時，建議采用等效斜撐模型進行計算.當(dāng)對該類型木構(gòu)建筑進行設(shè)防地震、罕遇地震作用下出現(xiàn)彈塑性變形時的結(jié)構(gòu)分析，需考慮圍護結(jié)構(gòu)失效時，建議采用不考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)模型進行計算.

關(guān)鍵詞：江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑;模型修正;結(jié)構(gòu)動力特性;津逮樓;圍護結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TU375? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A

Abstract：In order to study the effect of building envelope structures on the structural performance of traditional timber building in the Yangtze River region and to provide the calculation basis of the seismic performance and wind-resistant performance of this type of buildings， Jindai Building，a typical traditional timber building in the Yangtze River region，was taken as an example， and the model updating methods of this building were studied by the methods of finite element analysis and structural dynamical characteristic tests. First， by using finite element software SAP2000， the structural model without consideration of building envelope effects and the three structural models considering building envelope effects were established to analyze their dynamical characteristics. Then， the structural dynamical characteristic test was carried out on site. By comparing the results of the finite element methods and the dynamical characteristic test， some important results can be drawn as follows： in terms of natural vibration frequency， the results of these three updating models considering building envelope effects are obviously higher than that of the model without consideration of building envelope effects. The increment of the equivalent diagonal strut model is 220%～307%， the increment of the equivalent diagonal strut and shell element model is 228%～345%， and the increment of the integral simplified model is 230%～295%， but the first mode shape and second mode shape of this updating model are changed. The results of the equivalent diagonal strut model are very close to the results of the dynamical tests， and the error is smaller than 15%. Therefore， the equivalent diagonal strut model is the best updating model for this building. The results of the equivalent diagonal strut and shell element model are also close to the results of the dynamical tests， and the error is smaller than 20%. Thus， the equivalent diagonal strut and shell element model is the second-best updating model for this building. The results of the simplified model are obviously different from the results of the dynamical tests， so that the integral simplified model is not suitable for the model updating of this building. Finally， the equivalent diagonal strut model is recommended to study the structural performance of this type of traditional timber buildings whose envelopes have no cracks， for example， the condition of environment vibration， wind-induced vibration，and frequently occurred earthquake. The structural model without consideration of building envelope effects is recommended to study the structural performance of this type of traditional timber buildings whose envelopes are failed， for example， the condition of design earthquake or rarely occurred earthquake.

Key words：traditional timber buildings in the Yangtze River region;model updating;structural dynamical characteristic;Jindai Building;building envelope

當(dāng)前，在中國現(xiàn)存的建筑遺產(chǎn)中，木構(gòu)建筑遺產(chǎn)占大多數(shù).據(jù)統(tǒng)計，前六批國家級文保單位的古建筑共1 087處，其中木構(gòu)建筑就有823處，占76%.在第七批國家級文保單位中，又有近千處的傳統(tǒng)木構(gòu)建筑.這其中有許多木構(gòu)建筑盡管遭受了多次地震或臺風(fēng)的影響，但依然完整地保留下來，這充分反映了我國傳統(tǒng)木構(gòu)建筑具有較好的結(jié)構(gòu)性能，這與傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的結(jié)構(gòu)用材、構(gòu)架形式、榫卯構(gòu)造等有關(guān).江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑明顯不同于北方傳統(tǒng)木構(gòu)建筑，北方傳統(tǒng)木構(gòu)建筑多偏于官式作法，用料較大，榫卯樣式簡單;而江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑多偏于民式作法，用料較小，榫卯樣式多樣.這些建筑遺產(chǎn)使用至今，不可避免地產(chǎn)生損傷累積和抗力衰減，一旦材料或結(jié)構(gòu)損傷、或遭受強外力作用，這些建筑遺產(chǎn)就存在損毀的風(fēng)險.因此，對這些重要建筑遺產(chǎn)進行健康監(jiān)測和維護，就變得非常迫切和有必要了.而結(jié)構(gòu)模型修正方法是獲取準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)計算模型的唯一途徑，是建筑遺產(chǎn)健康監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)之一.

目前，國內(nèi)外關(guān)于建筑遺產(chǎn)健康監(jiān)測的研究較為熱門.在國外，Cointe等[1]基于數(shù)值模型和現(xiàn)場測量，提出了診斷和監(jiān)測歷史木構(gòu)建筑的數(shù)值方法，并對木構(gòu)鐘樓的臨界動態(tài)響應(yīng)等進行了分析研究;Ranalli等[2]采用地質(zhì)雷達技術(shù)對歷史建筑立面的保護狀態(tài)、墻體厚度、砌筑形式及劣化情況等進行了監(jiān)測;Orlando[3]采用多元地質(zhì)雷達技術(shù)對歷史建筑的裂縫進行了監(jiān)測;Bednarz等[4]采用高清激光三維掃描技術(shù)對波蘭的一棟歷史教堂建筑進行了為期5年的位移監(jiān)測，并以該監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對建筑現(xiàn)狀進行了數(shù)值分析，提出了相應(yīng)的修繕措施;Ceroni等[5]基于動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對意大利砌體宮殿的動力性能進行了分析，并與有限元模型分析結(jié)果進行了比較;Gentile等[6]研究了不同等級的激勵作用下的歷史建筑的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性;Ubertini等[7]對帕代爾諾鐵拱橋（1889）進行了環(huán)境振動測試和狀態(tài)評估;Ramos等[8]對兩棟歷史砌體建筑進行了監(jiān)測及模態(tài)分析，并對葡萄牙一座教堂進行了結(jié)構(gòu)動態(tài)健康監(jiān)測.在國內(nèi)，王林安等[9]圍繞應(yīng)縣木塔結(jié)構(gòu)試驗、結(jié)構(gòu)計算及結(jié)構(gòu)監(jiān)測等幾個方面的工作，梳理和歸納了應(yīng)縣木塔結(jié)構(gòu)監(jiān)測與試驗分析的研究現(xiàn)狀，并提出現(xiàn)存問題和建議;王娟等[10]通過在某藏式古建筑上的監(jiān)測試驗，驗證了遺產(chǎn)建筑的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，并對其在遺產(chǎn)建筑上應(yīng)用的特殊性及存在的問題進行了討論;閆會春等[11]以藏式古建筑為例，討論了古建木結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警機制的結(jié)構(gòu)層次及設(shè)計方法，詳細闡述了單一構(gòu)件靜態(tài)數(shù)據(jù)預(yù)警機制的各種預(yù)警限值的設(shè)定原則;張巖等[12]利用在典型藏式古建筑木結(jié)構(gòu)中布設(shè)的加速度動力特性監(jiān)測系統(tǒng)，獲得所監(jiān)測結(jié)構(gòu)在人群荷載等環(huán)境隨機激勵下的振動響應(yīng)數(shù)據(jù)和監(jiān)測結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù);白曉彬等[13]以某藏式古建筑監(jiān)測工程中的木梁為例，建立了溫度作用下梁底跨中順紋方向應(yīng)變的理論模型;孟昭博[14]利用環(huán)境激勵的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)數(shù)據(jù)對西安城墻和鼓樓的結(jié)構(gòu)進行了健康監(jiān)測和安全評估;時以亮等[15]基于布里淵散射光時域反射測量技術(shù)對北京東華門城臺的北墻體、西墻體和中門洞的變形及滲漏進行了監(jiān)測.綜上所述，國外學(xué)者對建筑遺產(chǎn)的健康監(jiān)測技術(shù)研究主要偏重于磚石砌體結(jié)構(gòu)的建筑遺產(chǎn)類型，明顯不同于中國的傳統(tǒng)木構(gòu)建筑.而國內(nèi)僅有少數(shù)學(xué)者對建筑遺產(chǎn)的健康監(jiān)測技術(shù)開展研究，主要偏重于應(yīng)縣木塔、藏式古建筑、古城墻等特殊建筑遺產(chǎn)類型，明顯不同于量大面廣的傳統(tǒng)古建筑木結(jié)構(gòu)類型，對傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的模型修正方法研究鮮有報道.本文將以典型江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑——甘熙故居津逮樓為例，采用有限元分析和結(jié)構(gòu)動力特性測試的方法對該類型建筑遺產(chǎn)的模型修正方法進行研究.

1? ?江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的典型形制構(gòu)造研究

自北宋以來，江南地區(qū)成為中國經(jīng)濟最富庶、文化最發(fā)達的地區(qū)，木構(gòu)建筑的建造技藝也早已成熟.江南地區(qū)傳統(tǒng)木構(gòu)建筑工藝歷史悠久，底蘊豐厚，主要的流派有：香山幫、東陽幫、寧紹幫、徽州幫等.太湖周邊的蘇州、無錫、嘉興、湖州等地，是經(jīng)濟發(fā)達的中心地區(qū)，受北方官式抬梁建筑影響，吸收了多種藝術(shù)手法，表現(xiàn)出程式化特征;而浙南山區(qū)的穿斗建筑更體現(xiàn)出原生的鄉(xiāng)土建筑的特點.北方常見的官式木構(gòu)建筑構(gòu)件一般較為粗大，且建筑多采用較多抗側(cè)支撐體系以提升其整體穩(wěn)定性，而江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑構(gòu)件則相對纖細，古代江南工匠始終尋求通過提升木作工藝或構(gòu)造來解決木構(gòu)建筑穩(wěn)定性的問題，這也使得江南傳統(tǒng)木構(gòu)建造工藝在古代中國處于領(lǐng)先地位.根據(jù)分析，江南與北方傳統(tǒng)木構(gòu)的差異表現(xiàn)在建筑形制和榫卯節(jié)點方面，主要體現(xiàn)在以下4點：1）構(gòu)架體系造成的差別.北方多受抬梁式構(gòu)架的影響，而南方則穿斗較多，北方的榫卯連接很少完全穿透構(gòu)件，榫長較短;南方有專門穿透構(gòu)件的榫卯類型，如半榫、透榫和箍頭榫等.

2）比例差異.北方木構(gòu)件粗大，榫卯粗短;而南方構(gòu)件纖細，榫卯細長.3）習(xí)慣作法差異.北方早期闌額直榫入柱，而南方早期闌額與柱多用鑷口鼓卯或燕尾榫相接等.4）官式與民式差異.北方受官式影響大，作法較為成熟固定;而南方為適應(yīng)實際需要，有較多的變化.津逮樓位于全國重點文物保護單位——南京甘熙故居中的后花園，該建筑為二層樓閣式木構(gòu)建筑，面闊14.6 m，進深9.4 m，建筑面積為275 m2.該建筑的圍護結(jié)構(gòu)主要包括東西山墻的一眠一斗式空斗磚墻和南北面的木窗木門.根據(jù)現(xiàn)場測繪和勘察，該建筑的建筑平面布局、梁柱構(gòu)架體系、木構(gòu)件尺度、梁柱榫卯構(gòu)造及空斗墻圍護墻體構(gòu)造做法都基本符合江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的做法，為典型的清式江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑，建筑現(xiàn)狀如圖1所示.通過現(xiàn)場測繪，獲取了該建筑的幾何尺寸，如圖2所示.根據(jù)現(xiàn)場勘察和檢測，該建筑用材均為江南地區(qū)傳統(tǒng)木構(gòu)建筑常用的杉木.

2? ?江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的有限元分析

2.1? ?不考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)的有限元模型

目前，在進行傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的風(fēng)振響應(yīng)和地震響應(yīng)計算時，常常不考慮圍護結(jié)構(gòu)對整體剛度的貢獻.本文先采用有限元軟件SAP2000建立津逮樓在不考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)時的有限元模型并進行結(jié)構(gòu)動力特性分析.津逮樓為空間桿件結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)有兩層，主要由柱、梁、檁條、木椽、木格柵等構(gòu)件組成，梁柱連接均為榫卯連接，圖3為津逮樓的SAP2000有限元模型，模型中梁柱連接采用榫卯半剛性連接，參考文獻[16-18]，檐柱與梁連接采用的箍頭榫轉(zhuǎn)動剛度值取338 kN·m/rad，中柱與梁連接采用的半榫轉(zhuǎn)動剛度值取95 kN·m/rad，瓜柱與梁連接采用的直榫轉(zhuǎn)動剛度值取140 kN·m/rad，柱與基礎(chǔ)采用鉸接，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，木材強度按照杉木取值，彈性模量取9 000 N/mm2，泊松比取0.3.該有限元模型中包含連接節(jié)點單元885個，桿件單元865個.根據(jù)SAP2000計算結(jié)果，津逮樓結(jié)構(gòu)的前10階自振周期、自振頻率及振型參與質(zhì)量系數(shù)見表1.由表1可知，結(jié)構(gòu)基頻為 f =0.602 Hz.結(jié)構(gòu)的振型通過振型參與質(zhì)量系數(shù)可以得到：一階振型UX+UY>RZ且UY>UX，即一階振型為Y向（進深向）水平振動;二階振型UX+UY>RZ且UX>UY，即二階振型為X向（面闊向）水平振動;三階振型UX+UY

2.2? ?考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)時的有限元模型建立

經(jīng)過初步的實測和建模分析發(fā)現(xiàn)：津逮樓實測的自振頻率遠小于有限元建模的計算結(jié)果，這意味著津逮樓的真實結(jié)構(gòu)剛度比有限元模型要大得多.而在建模中未考慮圍護結(jié)構(gòu)的剛度效應(yīng)和結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能是造成建模結(jié)果與實測結(jié)果不一致的重要原因.所以本文將對如何考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)提出可能的理論模型，并進行對比分析.

考慮到該建筑為典型的江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑，東西立面為空斗磚墻，南北立面二層為木板與窗戶，一層為窗下墻與窗戶，作者提出如下3種考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)的方法：1）整體墻元模型;2）等效斜撐模型;3）等效斜撐+幕墻墻元模型.對于第1種整體墻元模型，這種修正方法將忽略一層和二層木窗的抗側(cè)剛度，而將空斗磚墻簡化為板單元進行計算;對于第2種等效斜撐模型，這種修正方法把所有圍護體（空斗磚墻+木板+木窗）等效為桿單元;對于第3種等效斜撐+幕墻墻元模型，這種修正方法把空斗磚墻看作等效斜撐，木門窗根據(jù)玻璃幕墻的考慮方式，看作幕墻墻元，用板單元進行模擬.

2.2.1? ?整體墻元模型

1980年，施耀新提出了整體墻元模型，認為填充墻與框架結(jié)構(gòu)在連接處無裂縫時，框架結(jié)構(gòu)體系可視為一個由兩種材料組合的整體構(gòu)件[19].建模時，直接使用板單元按填充墻的尺寸填充在各個區(qū)格之中.根據(jù)對江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的構(gòu)造分析，江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的邊貼木柱多埋于圍護墻中或與圍護墻有可靠拉結(jié)，因此，該簡化模型可以應(yīng)用于該建筑.同樣，本文也利用SAP2000計算了該模型的前三階固有頻率和振型，計算模型參數(shù)取值時，填充墻的彈性模量依《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GBJ-1988），按實測得到的M5砂漿砌筑的空斗磚墻來計算強度，取930 MPa，填充墻的厚度取370 mm，其余墻取240 mm.依據(jù)上述理論建立了甘熙故居津逮樓考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)時的有限元模型，如圖4所示.

表2為采用整體墻元模型考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)的甘熙故居津逮樓結(jié)構(gòu)的動力特性.結(jié)果表明：采用整體墻元模型考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)時，整體的剛度較大，自振周期明顯降低，并且一階振型變?yōu)閄向（面闊向），二階振型變?yōu)閅向（進深向）.

2.2.2? ?等效斜撐模型

等效斜撐模型是將圍護墻模擬為與梁柱交點鉸接且與框架共同工作的抗側(cè)力構(gòu)件.該等效斜撐如圖5（a）所示，其與墻體材性相同，截面為矩形，長度為梁柱間對角線長度，厚度同圍護墻厚度，等效斜撐具有一定寬度，其寬度由式（1）和式（2）確定.本研究采用Buonopane等[20]提出的開洞圍護墻的斜支撐模型來模擬津逮樓建筑的圍護墻體，如圖5（b）所示，單根斜壓桿寬度按照尺寸為洞口兩側(cè)墻肢尺寸的非開洞圍護墻確定[21-23].式中：λ為剛度系數(shù);Ew為圍護墻的彈性模量;tw為圍護墻的厚度;θ為圍護墻對角線與框架梁之間的夾角;Ec為框架柱的彈性模量;Ic為框架柱的慣性矩;Hw為圍護墻體的厚度;Dc為等效斜撐寬度;H為框架柱高度;L為框架梁長度.本文計算模型中，圍護墻Ew取值為930 MPa;東西山墻tw取值為370 mm，其余墻體tw取值為240 mm;Ec取值為9 000 MPa.依據(jù)上述理論建立津逮樓考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)的等效斜撐有限元模型，如圖6所示.表3為采用等效斜撐模型考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)的津逮樓結(jié)構(gòu)的動力特性，可以看出與未考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)的計算模型相比，結(jié)構(gòu)的自振周期和振型發(fā)生明顯變化，自振周期明顯減小，結(jié)構(gòu)剛度增大，一階振型為Y向（進深向）水平振動，二階振型為X向（面闊向）水平振動.

2.2.3? ?等效斜撐+幕墻墻元模型

除考慮磚墻圍護體的結(jié)構(gòu)效應(yīng)外，還考慮南北立面的木窗木框圍護的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，故提出等效斜撐+幕墻墻元模型，該計算模型中，將磚墻圍護體看作等效斜撐，具體參數(shù)按照前述方法確定，木窗木框參考相關(guān)文獻中玻璃幕墻的考慮方式[24].依據(jù)上述理論建立津逮樓考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)的等效斜撐+幕墻墻元有限元模型，如圖7所示.本文計算模型中，圍護墻厚度、彈性模量參數(shù)取值同上兩個模型，木窗的厚度按測繪值取t=30 mm.表4為采用等效斜撐+幕墻墻元模型考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)的津逮樓結(jié)構(gòu)的動力特性，可以看出與未考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)的計算模型相比，結(jié)構(gòu)的自振周期和振型發(fā)生明顯變化，自振周期減小，結(jié)構(gòu)剛度增大，一階振型為Y向（進深向）水平振動，二階振型為X向（面闊向）水平振動.

2.2.4? ?對比與總結(jié)

從表2～表4可以看出，相比于不考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)時的前三階自振頻率，考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)后，這3種計算模型的前三階自振頻率明顯提高. 3種模型都顯著提高了結(jié)構(gòu)兩個方向平動以及扭轉(zhuǎn)的剛度，等效斜撐模型的提高幅度在220%～307%，等效斜撐+幕墻墻元模型的提高幅度在228%～345%，而整體簡化模型的提高幅度在230%～295%，但第一階振型和第二階振型明顯發(fā)生了改變，這主要由于整體墻元模型過度考慮了磚墻的剛度貢獻，使得進深向的剛度明顯大于面闊向的剛度.

3? ?結(jié)構(gòu)動力特性測試分析

為了驗證哪種模型計算結(jié)果與實測結(jié)果一致，得出最適合于津逮樓計算的修正模型.作者對該建筑進行了環(huán)境激勵下的結(jié)構(gòu)動力特性測試.傳統(tǒng)的模態(tài)識別方法是基于實驗室條件下的頻率響應(yīng)函數(shù)進行參數(shù)識別的方法，它要求同時測得結(jié)構(gòu)上的激勵和響應(yīng)信號.但是，在許多實際工程應(yīng)用中，工作條件和實驗室條件相差很大，對一些工程結(jié)構(gòu)無法施加激勵或施加激勵費用很高，因此本次測試識別了結(jié)構(gòu)在工作條件下的模態(tài)參數(shù).津逮樓位于甘熙故居內(nèi)，其所受激勵主要來自地面振動，可認為是環(huán)境的隨機激勵.

本文采用東華測試的DH5922N動力特性測試分析系統(tǒng)進行現(xiàn)場檢測，采樣頻率為20 Hz，采樣時間為30 min，分析方法為頻域分析法，截止頻率為10 Hz.本次測試共布置了5個加速度傳感器，分別布置在建筑的一層（X向和Y向）和二層樓面（X向和Y向）以及梁架上，如圖8所示.采集的數(shù)據(jù)使用Matlab進行處理.將測試采集的數(shù)據(jù)使用Welch方法進行功率譜估計，處理時加500個數(shù)據(jù)點寬度的Hanning窗，并按25%的數(shù)據(jù)重疊率進行平均.測試獲得的津逮樓的自功率譜如圖9所示.

從圖9可知，該建筑Y向（進深向）第一階自振頻率為1.70 Hz，X向（面闊向）第二階自振頻率為1.91 Hz，第三階（扭轉(zhuǎn)）自振頻率為3.38 Hz.將圖9中識別出的結(jié)果與不考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)時的計算結(jié)果、考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)時的計算結(jié)果進行比較，如表5所示.

由表5可以看出，不考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)的津逮樓結(jié)構(gòu)的剛度明顯偏小，與實際情況明顯不符.在作者提出的3種修正模型中，等效斜撐模型的計算結(jié)果最接近真實測試結(jié)果，誤差在15%范圍以內(nèi)，是最優(yōu)的修正模型.等效斜撐+幕墻墻元模型的計算結(jié)果與實測結(jié)果的誤差基本在20%以內(nèi)，是其次可接受的修正模型.而整體墻元模型由于過度考慮了磚墻的剛度貢獻，使得進深向的剛度明顯大于面闊向的剛度，與實測結(jié)果嚴(yán)重不符.

綜上，當(dāng)對典型江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑——津逮樓進行振動響應(yīng)分析、風(fēng)振作用下的受力性能分析、多遇地震作用下的彈性受力性能分析時，建議采用等效斜撐模型進行計算.當(dāng)對津逮樓建筑進行設(shè)防地震、罕遇地震作用下出現(xiàn)彈塑性變形時的結(jié)構(gòu)分析時，若考慮圍護結(jié)構(gòu)失效，則建議采用不考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)模型進行計算.

4? ?結(jié) 論

本文以江南傳統(tǒng)木構(gòu)建筑——津逮樓為例，通過對結(jié)構(gòu)構(gòu)造的分析，提出了3種考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)時的結(jié)構(gòu)模型修正方法，通過現(xiàn)場動力特性測試，將實測結(jié)果與模型計算結(jié)果進行比較分析，提出了該類型建筑的最優(yōu)修正模型.

1）該類型建筑在不考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)時，結(jié)構(gòu)基頻為f = 0.60 Hz;一階振型為Y向（進深向）水平振動，二階振型為X向（面闊向）水平振動，三階振型為扭轉(zhuǎn)振動.結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)第一周期和平動第一周期之比為0.80，說明該類型建筑整體存在較大的扭轉(zhuǎn)剛度.

2）相比于不考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)時的前三階自振頻率，考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)后，這3種計算模型的前三階自振頻率明顯提高，3種模型都顯著提高了結(jié)構(gòu)兩個方向平動以及扭轉(zhuǎn)的剛度，等效斜撐模型的提高幅度在220%～307%，等效斜撐+幕墻墻元模型的提高幅度在228%～345%，而整體簡化模型的提高幅度在230%～295%，但第一階振型和第二階振型明顯發(fā)生了改變.

3）在作者提出的3種修正模型中，等效斜撐模型的計算結(jié)果最接近真實測試結(jié)果，誤差在15%范圍以內(nèi)，是最優(yōu)的修正模型.等效斜撐+幕墻墻元模型的計算結(jié)果與實測結(jié)果的誤差基本在20%以內(nèi)，是其次可接受的修正模型.而整體墻元模型由于過度考慮了磚墻的剛度貢獻，使得進深向的剛度明顯大于面闊向的剛度，與實測結(jié)果嚴(yán)重不符.

4）對該類型木構(gòu)建筑進行振動響應(yīng)分析、風(fēng)振作用下的受力性能分析、多遇地震作用下的彈性受力性能分析時，建議采用等效斜撐模型進行計算.當(dāng)對該類型木構(gòu)建筑進行設(shè)防地震、罕遇地震作用下出現(xiàn)彈塑性變形時的結(jié)構(gòu)分析，需考慮圍護結(jié)構(gòu)失效時，建議采用不考慮圍護結(jié)構(gòu)效應(yīng)模型進行計算.

參考文獻

[1]? ? COINTE A，CASTERA P，MORLIER P，et al. Diagnosis and monitoring of timber buildings of cultural heritage [J]. Structural Safety，2007，29（4）：337—348.

[2]? ?RANALLI D，SCOZZAFAVA M，TALLINI M. Ground penetrating radar investigations for the restoration of historic buildings：the case study of the Collemaggio Basilica （L′Aquila，Italy）[J]. Journal of Cultural Heritage，2004，5（1）：91—99.

[3]? ? ORLANDO L. Using GPR to monitor cracks in a historical building[C]//4th International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar. New York：IEEE，2007：327—334.

[4]? ? BEDNARZ L J，JASIENKO J，RUTKOWSKI M，et al. Strengthening and long-term monitoring of the structure of an historical church presbytery [J]. Engineering Structures，2014，81：62—75.

[5]? ? CERONI F，PECCE M，SICA S，et al. Assessment of seismic vulnerability of a historical masonry building[J]. Buildings，2012，2（3）：332—358.

[6]? ? GENTILE C，SAISI A. Continuous dynamic monitoring of a centenary iron bridge for structural modification assessment[J]. Frontiers of Structural & Civil Engineering，2015，9（1）：26—41.

[7]? ?UBERTINI F，GIULIANO F. Computer simulation of stochastic wind velocity fields for structural response analysis：comparisons and applications[J]. Advances in Civil Engineering，2010（3）：441—456.

[8]? ? RAMOS L F，LOURENCO P B. Modeling and vulnerability of historical city centers in seismic areas：a case study in Lisbon[J]. Engineering Structures，2004，26（9）：1295—1310.

[9]? ? 王林安，侯衛(wèi)東，永昕群. 應(yīng)縣木塔結(jié)構(gòu)監(jiān)測與試驗分析研究綜述[J]. 中國文物科學(xué)研究，2012（3）：62—67.

WANG L A，HOU W D，YONG X Q. A summary on the research and analysis of testing and monitoring the Yingxian County Timber Pagoda structure[J]. China Cultural Heritage Scientific Research，2012（3）：62—67.（In Chinese）

[10]? 王娟，楊娜，楊慶山. 適用于遺產(chǎn)建筑的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報，2010，34（1）：100—104.

WANG J，YANG N，YANG Q S. Structural health monitoring system for heritage buildings[J]. Journal of Beijing Jiaotong University，2010，34（1）：100—104. （In Chinese）

[11]? 閆會春，楊娜. 古建木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警機制探討[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2010，32（9）：266—270.

YAN H C，YANG N. Research on early warning mechanism of structural health monitoring system on ancient timberwork[J]. Journal of Wuhan University of Technology，2010，32（9）：266—270. （In Chinese）

[12]? 張巖，楊娜. 環(huán)境激勵下古建筑木結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別與分析[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報，2010，32（9）：291—295.

ZHANG Y，YANG N. The structure modal parameter identification and analysis of environmental stimulus on the ancient timber structure [J]. Journal of Wuhan University of Technology，2010，32（9）：291—295.（In Chinese）

[13]? 白曉彬，楊娜. 長期監(jiān)測中藏式古建筑木梁應(yīng)變-溫度模型分析[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，44（11）：117—125.

BAI X B，YANG N. Strain-temperature model analysis of Tibetan ancient timber beam in long-term monitoring [J]. Journal of Hunan University（Natural Sciences），2017，44（11）：117—125. （In Chinese）

[14]? 孟昭博. 西安鐘樓的交通振動響應(yīng)分析及評估[D]. 西安：西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，2009：163—182.

MENG Z B. Analysis and assessment of the vibration responds traffic-induced of Xi′an Bell Tower[D]. Xi′an：School of Civil Engineering，Xi'an University of Architecture & Technology，2009：163—182. （In Chinese）

[15]? 時以亮，倪斌，施斌，等. 北京故宮東華門城臺分布式光纖監(jiān)測研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2015，35（5）：637—643.

SHI Y L，NI B，SHI B，et al. A study on distributed optical fiber monitoring for platform of Donghua Gate in the Forbidden City，Beijing[J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2015，35（5）：637—643. （In Chinese）

[16]? 淳慶，潘建伍，韓宜丹. 江南地區(qū)傳統(tǒng)木構(gòu)建筑半榫節(jié)點受力性能研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，43（1）：124—131.

CHUN Q，PAN J W，HAN Y D. Research on mechanical properties of Ban Mortise-tenon joint of the traditional timber buildings in the south Yangtze River regions[J]. Journal of Hunan University（Natural Sciences），2016，43（1）：124—131. （In Chinese）

[17]? CHUN Q，HAN Y D，MENG Z. Mechanical properties of monodirectional gutou mortise-tenon joints of the traditional timber buildings in the Yangtze River region [J]. Journal of Southeast University（English Edition），2016，32（4）：457—463.

[18]? 淳慶，潘建伍，董運宏. 江南地區(qū)傳統(tǒng)木構(gòu)建筑透榫節(jié)點受力性能研究[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報，2016，51（5）：862—869.

CHUN Q，PAN J W，DONG Y H. Mechanical properties of Tou Mortise-tenon Joints of the traditional timber buildings in the south Yangtze River regions [J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2016，51（5）：862—869. （In Chinese）

[19]? 施耀新.磚填充墻框架房屋的抗震設(shè)計研宄[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，1980，6（1）：10—15.

SHI Y X. Seismic design research of brick infilled wall frame buildings [J]. Building Structure，1980，6（1）：10—15. （In Chinese）

[20]? BUONOPANE S G，WHITE R N. Pseudodynamic testing of masonry infilled reinforced concrete frame [J]. Journal of Structure Engineering，1999，125（6）：578—589.

[21]? HOLMES M. Steel frames with brickwork and concrete infilling [J]. Proceeding of the Institution of Civil Engineers，1961，19（4）：473—478.

[22]? SMITH B S. Behavior of square infilled frames[J]. Journal of the Structural Division ASCE，1966，92（1）：381—404.

[23]? 苗鳳.填充墻對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)動力性能的影響[D]. 長沙：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，2006：9—17

MIAO F. The effect of infill walls on the dynamic behavior of reinforced concrete frames [D]. Changsha：College of Civil Engineering，Hunan University，2006：9—17. （In Chinese）

[24]? 田敬博. 玻璃幕墻和填充墻對高層隔震鋼框架結(jié)構(gòu)動力性能的影響[D]. 哈爾濱：中國地震局工程力學(xué)研究所，2014：47-67.

TIAN J B. The influence of glass curtain wall and infill wall to the dynamic performance of base-isolated high-rise steel frame structure[D].Harbin：Institute of Engineering Mechanics，China Earthquake Administration，2014：47—67. （In Chinese）

收稿日期：2018-05-11

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51778122，51578127），National Natural Science Foundation of China（51778122， 51578127）

作者簡介：淳慶（1979—），男，江蘇南京人，東南大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師

通訊聯(lián)系人，E-mail：cqnj1979@163.com