仿古四层大殿结构特点及载荷处理

2016-07-31王建省戴智彪王宗泽

中国科技信息 2016年14期

关键词：大殿屋面尺寸

王建省戴智彪王宗泽

北方工业大学土木工程系

仿古四层大殿结构特点及载荷处理

王建省戴智彪王宗泽

北方工业大学土木工程系

本文以仿古大殿为工程背景，分析其结构特点，对各层给出了结构布局参数，分析了屋面荷载的工程处理方法，建立了力学分析模型，分别对檐柱层、金柱层、斗栱层、童柱层给出了参考尺寸，载荷方面，分别考虑了楼面活荷载、施工荷载、雪荷载、风荷载的影响，给出了模型的分析结果。

中国古建筑大殿式结构比较多，本研究考虑仿古大殿的结构特点，建立力学分析模型，探讨力学受力机理，由此看到古建结构的合理性和科学性。

仿古大殿主体采用的是砖木结构承重体系，完美地体现出了古建的外形及结构特点。整个结构由柱基础、梁、斗栱、屋架等构件组成，梁、柱以榫卯节点形式连接，结构竖向荷载、水平地震荷载从屋顶传向梁、柱为基础的木框架，再传递到结构柱基。斗栱传递荷载，同时抵抗水平方向地震力作用，檐柱用墙体围护。结构面阔十间，阔为62.965m，进深五间，深34.80m，正中高24.864m，建筑面积位2381.45m2，采用的是单层砖木结构，外部采用二样黄琉璃瓦重檐庑殿顶。进行换算之后的尺寸为：面阔方向明间8.901m，次间5.834m，边间3.702m，进深方向山明间11.734m，次间7.834m，边间3.702m。

结构特点

仿古大殿屋顶形式为重檐庑殿顶，整个结构气势恢宏，庄严肃穆，上层屋面采用正脊形式，正脊两端布局为两正吻，二正吻重量为4555kg，下层屋面布置为四俄脊四围脊。

在屋面做法方面，使用2mm厚护板灰，两层上薄下厚的灰背层覆盖。梁架表面，由望板、椽子、保温层、防水层等覆盖，梁架布局为纵向刚度大于横向刚度，使得其变形较好地进行协调，但中部刚度使其最小，整体呈柔性体系。廊步架屋面，布局为椽子搭在承椽枋上，柱子根部放置于柱基之上。主体构架，布置74根大柱，东西方向14根，南北8行，使得柱－柱额枋相连。40根上部与40个斗栱互相作用，屋顶由斗栱承托。而斗栱则作为屋盖与柱架过渡部分，屋盖自重由额枋传至柱结构。屋檐之下斗栱向外出挑，以此承挑上部屋檐，室内斗栱则向两端分别挑出，这样分散梁枋节点处剪力荷载，避免集中载荷作用。斗栱下檐，为单杪重昂，上檐单杪为4昂。

梁柱之间，采用榫卯连接，采用刚性－铰接连接方式，使得结构在承受拉压弯曲及扭转方面较为合理，尽量分散集中荷载作用，结构变形则介于铰链连接和刚性连接之间，留出其调节空间。

屋面荷载

大殿结构的屋面做法：木基层为52mm厚杉木望板，12道涩脚条，椽子等。上层屋面苫背为3.5mm，厚护板灰82～125mm厚灰背层（白灰）。

瓦作方面，使用琉璃瓦，瓦泥（素白灰）为302mm，屋面恒荷载为结构自重和瓦重的总和。木基层方面，望板为50mm，载荷集度为4kN/m3×50mm=0.2kN/m2，涩脚条为25mm，载荷集度则为8kN/m3×25mm=0.2kN/m2，苫背层方面，护板灰为2mm，载荷集度为17.5kN/m3×2×10－3m=0.035kN/m2，灰背层为80～120mm，载荷集度为12kN/m3×0.1m=1.2kN/m2，素白灰瓦泥为300mm，其载荷集度为12kN/m3×0.3m=3.6kN/m2，屋脊二样正吻，载荷为4554kg×9.8N/kg×2=89.26kN，集度为0.173kN/m2，琉璃瓦容重0.6kN/m3，综述，屋面恒荷载集度取为6.008kN/m2。

模型计算

模型为四个标准层，分别对各层进行分析。第一标准层为檐柱层，层高即为檐柱柱高，取为7.9m，檐柱与金柱为一体，和梁进行连接，各檐柱之间的连接采用金三件，檐柱直径为0.79m，金柱直径为1.08m。随梁的尺寸为532mm×632mm，金三件截面尺寸为452mm×1282mm。第二标准层为金柱层，金柱与檐柱的高度差即为层高，取5.5m，额枋尺寸即面阔为514mm×628mm，在进深方向随梁连接，横截面尺寸取为532mm×632mm。第三标准层布置为斗栱层。正心万栱高为1.09m，横截面为400mm×118.7mm，面阔方向，正心桁截面直径为427.8mm，进深方向，七架梁尺寸取为722mm×892mm。第四标准层为童柱层，本层高取为5.8m，圆柱童柱直径69.2mm，面阔方向则为下金桁，取其直径427.6mm，进深方向采用一跨，用七架梁，其截面为722mm×892m。结构顶层有楼板，模型顶层设为102mm的厚楼板。

对载荷进行组合。标准组合荷载效应的组合设计值公式

Ψf1为可变荷载Q1的频遇值系数，Ψqi为可变荷载Qi的准永久值系数。对于准永久组合情况，荷载效应组合的设计值为：

地震动反应谱反映了地震动频谱特征，可用于求解结构最大地震反应。对结构地震反应的基本特征进行研究。采用最大地震影响系数αmax为纵坐标的反应谱，可表示为：

m为结构质量，G为结构重力，Sa为最大绝对加速度，F为体系水平地震力。

参数结果

楼面活荷集度取2.2 kN/m2，组合值系数为0.75，屋面活荷载集度按不上人屋面取0.52 kN/m2，组合值系数为0.72。荷载规范认为，不上人屋面均布活荷载可不与雪荷载和风荷载同时组合。施工荷载不小于1KN，组合值系数为0.7。雪荷载按50年使用年限，北京地区基本雪压S0取0.4，组合值系数为0.7。风荷载按50年使用年限计算，北京地区基本风压ω0为0.45 kN/m2，地面粗糙度为C类，风压高度变化系数µz取1.14，体形系数迎风面µx迎风面为+0.8，背风面取－0.5，阵风系数按C类地区（大城市市区）取值，距离地面15m以内取2.05，距离地面20m取1.99，距离地面30m时取1.90，组合值系数为0.6。其主要结果如表1和表2所示。