嵩岳寺塔地震響應(yīng)及最不利受力狀態(tài)分析.pdf

1、嵩岳寺塔，位于河南省登封市嵩岳寺內(nèi)，迄今已有近1500年歷史，是我國最古老的磚塔之一，也是現(xiàn)存唯一的十二邊形密檐塔。該塔于1961年被列入首批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，2010年作為“天地之中”歷史建筑之一被列入聯(lián)合國世界文化遺產(chǎn)名錄，該塔與釋迦塔、飛虹塔和千尋塔并稱為我國四大名塔。
　　近年來的歷次震害給磚塔文物造成了巨大的損失，而目前學(xué)界對嵩岳寺塔的研究多集中在建筑、文化等方面，對抗震性能的研究鮮有涉及。加之，千余年的自然作用導(dǎo)致

2、結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了諸多病害，為了加強(qiáng)對嵩岳寺塔的實(shí)時保護(hù)，鄭州市世界遺產(chǎn)中心啟動了《“天地之中”歷史建筑群現(xiàn)狀、病害調(diào)查及數(shù)據(jù)庫建設(shè)》(20160220A)項(xiàng)目，計(jì)劃對嵩岳寺塔等歷史建筑實(shí)施結(jié)構(gòu)的安全動態(tài)監(jiān)測，因此，本文開展了對嵩岳寺塔抗震性能的分析，以期為后續(xù)監(jiān)測提供技術(shù)參考。
　　(1)結(jié)合文獻(xiàn)及實(shí)地調(diào)研獲取了嵩岳寺塔各部位尺寸及現(xiàn)狀，分析了結(jié)構(gòu)構(gòu)成及傳力路徑，并通過對現(xiàn)存材料進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得出塔磚的抗壓強(qiáng)度為18.97MPa。采用

3、ANSYS軟件建立了結(jié)構(gòu)的有限元模型，并通過對比自振周期驗(yàn)證了模型簡化和材料參數(shù)取值的合理性，證明該模型可以用于后續(xù)分析。
　　(2)對有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，結(jié)果表明，嵩岳寺塔的結(jié)構(gòu)整體性較好，質(zhì)量、剛度分布表現(xiàn)出良好的對稱性，主要振型為彎曲振型并成對出現(xiàn)。一層塔身的抗側(cè)移剛度、抗扭剛度被門洞削弱，成為結(jié)構(gòu)的主要薄弱環(huán)節(jié)。塔剎須彌座因其截面較小，成為塔剎部分的薄弱環(huán)節(jié)，但塔剎局部振型出現(xiàn)較晚。
　　(3)依據(jù)規(guī)范和模態(tài)分析

4、結(jié)果，選取了3條地震波對結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)主要變形形式為一階彎曲變形，沒有出現(xiàn)顯著的局部變形，也沒有出現(xiàn)明顯的鞭梢效應(yīng)，但上部塔身位移響應(yīng)曲線更加光滑。一層塔身是結(jié)構(gòu)變形最大的部位，上部塔身主要是繞塔底做整體偏轉(zhuǎn)變形。
　　(4)模型加速度響應(yīng)時程的對比分析結(jié)果顯示，塔身各部位的加速度響應(yīng)具有較好的一致性，但上部塔身的加速度時程曲線比下部結(jié)構(gòu)更加光滑。從結(jié)構(gòu)動力放大系數(shù)之間的區(qū)別可以看出，當(dāng)?shù)卣饛?qiáng)度較大時，結(jié)構(gòu)進(jìn)

5、入彈塑性狀態(tài)，塔身動力放大系數(shù)減小，否則，動力放大系數(shù)基本不變。結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的頻譜分析結(jié)果表明，地震波中1.8Hz附近的頻率成分對地震響應(yīng)結(jié)果影響最大，1.8Hz以上的頻率成分對結(jié)構(gòu)的影響隨著頻率的增加而逐漸減弱，9Hz以上的頻率成分基本沒有影響。
　　(5)選取3種地震波中結(jié)構(gòu)變形最大的情況，通過將結(jié)構(gòu)內(nèi)部豎向壓應(yīng)力、豎向拉應(yīng)力、水平拉應(yīng)力和剪應(yīng)力最值與塔身砌體強(qiáng)度平均值做對比可以看出，結(jié)構(gòu)的承壓性能較好，僅罕遇地震作用下塔底

6、邊緣的壓應(yīng)力最值超出了材料強(qiáng)度平均值。剪應(yīng)力是影響結(jié)構(gòu)安全性的關(guān)鍵因素，在多遇、設(shè)防、罕遇地震作用下，剪應(yīng)力最值超出材料強(qiáng)度平均值的區(qū)域分別為門洞頂部區(qū)域、5層以下塔身中軸面附近區(qū)域、12層以下塔身中軸面附近及須彌座底部區(qū)域;
　　(6)塔身砌體的抗拉強(qiáng)度較低，最不利水平受拉區(qū)域位于門洞頂部，在設(shè)防地震作用下，該區(qū)域內(nèi)的水平拉應(yīng)力最值超出了材料強(qiáng)度平均值。在罕遇地震作用下，除該區(qū)域外，一層密檐內(nèi)部部分區(qū)域的水平拉應(yīng)力最值也超出了材