故宫灵沼轩风振响应分析

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1、第28卷第3期文物保护与考古科学Vol．28，No．32016年8月SCIENCESOFCONSEＲVATIONANDAＲCHAEOLOGYAug，2016文章编号:1005-1538(2016)03-0055-10故宫灵沼轩风振响应分析1，2323周乾，闫维明，杨娜，纪金豹(1．故宫博物院，北京100009;2．北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044;3．北京工业大学，工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京100124)摘要:故宫灵沼轩是一座砌体结构与钢结构组合而成的文物建筑。为有效对其保护，采用数值模拟方法，研究了风振作用下结构的动力响应。基于灵沼轩结构现状，建立了有

2、限元模型。通过模态分析，获得了灵沼轩的基频和主振型;通过对结构施加y向脉动风荷载，研究了重现期为50年时结构的风振特性，评价了结构在风荷载作用下的安全现状。结果表明:灵沼轩结构基频为f=5．75Hz，在x及y向的主振型以局部振动为主;脉动风压作用下，结构保持稳定振动状态，但顶部位置加速度峰值偏大。另风压作用下，砌体结构部分位置的抗拉强度不足，应在日常维护中予以重视;钢结构部分由于材料强度大，因而不会出现强度破坏。关键词:灵沼轩;风振响应;模态分析;时程分析;文物建筑中图分类号:TU366．2文献标识码:ADOI:10.16334/j.cnki.cn31-1652/k.2016.03

3、.0111909年(清宣统元年)开工，3年后爆发辛亥革命，0引言工程随之停工。1917年张勋复辟，延禧宫被直军炸位于北京紫禁城(今故宫博物院)延禧宫内的弹毁坏。二十世纪七十年代，灵沼轩地面以下部分灵沼轩，又名“水晶宫”、“水殿”，是紫禁城内少有的曾被挖防空洞之土填实。现存灵沼轩仍保持未完工［1］西式建筑。其建造背景为:延禧宫在清代曾多次状态，建筑长24．73m，宽18．57m，总高为14．62m，2遭受火灾，至清末，宫院成为废墟，未再重建。清末建筑面积459．24m。图1～2分别为灵沼轩建筑平期，政府决定建一座不怕火的建筑，结构形式不以中面图及建筑现状照片。国传统的木结构为主，而采

4、用西方砌体与钢结构组合的形式，功能则主要用于皇室休闲娱乐。工程于图1首层平面图(单位:mm)st图2灵沼轩建筑现状照片Fig．1Planviewof1floorofLING-ZhaoFig．2PhotosofpresentsituationofLING-ZhaoVerandaVeranda(Unit:mm)收稿日期:2015-02-28;修回日期:2016-02-19基金项目:国家自然科学基金优秀青年项目资助(51422801)，国家自然科学基金项目资助(51178028，51278013)，北京自然科学基金重点项目资助(8151003)，故宫博物院科研基金项目资助(KT2012-

5、7)作者简介:周乾(1975—)，男，博士后，副研究员，主要从事文物建筑振动控制研究。E-mail:qianzhou627@126．com56文物保护与考古科学第28卷从建筑布局来看，灵沼轩上下三层，其中地下一质化理论可作为一种行之有效的手段运用于无筋砌［6－9］层，地上二层，共计32间。主楼每层9间，底层四面体结构的力学性能研究。研究表明:应用匀质当中各开一门，四周浚池，引玉泉山水环绕;周边设化理论分析材料力学性能时，需要提取一个等效体回廊;四个角部设六边形及八边形围廊，各围廊均为积单元(ＲepresentativeVolumeElement，ＲVE)作为3层，且底部均各开两门，

6、分别与主楼及回廊相特征单元体，这是匀质化方法的主要研究对象。等［2］通。效体积单元需要满足的条件为:1)所有砌体材料;从材料组成来看，灵沼轩受力墙体由3种材料2)结构为周期性连续分布;3)ＲVE单元在连续模组成:地下一层建筑墙体材料为花岗岩，地上一层墙型和离散模型之间提供单元划分。砌体结构匀质化体材料为汉白玉，地上一层室内贴瓷砖处及铁亭基过程见图3。座部分墙体材料为砖。灵沼轩钢结构则由工字钢、铸铁柱组成一、二层的承重框架，二层顶部的5座铁亭主要由不同形式截面的钢构件组成。从结构形式来看，灵沼轩由砌体结构与钢结构组成。其中，砌体结构位于一、二层，包括东南、西南图3等效体积元模拟过程六

7、边形围廊，东北、西北的八边形围廊，各围廊通过Fig．3Simulationofprocessofrepresentativevolumeelement纵、横向墙体连接，墙体厚度约为0．6m。钢结构包括一、二层工字钢梁与铸铁柱组成的承重框架，且部灵沼轩砌体结构部分由3种砌体材料组成，结分梁穿过砌体结构部分的纵、横墙体。同时，在二层构现状保持较好。采用ＲVE匀质化方法模拟其力顶部、六边形及八边形砌体围廊的顶部，有六边形及学性能时，由于无法对文物本体取样开展试验，因而八边形