故宫太和殿藻井结构分析

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1、故宫太和殿藻井结构分析周乾概述明清时期的藻井，大体是由上、中、下三层组成，古建筑保护是一项非常重要的工作。太和殿作为最下层为方井，中间层为八角井，上部为圆井结构[1]。宫殿建筑的代表，是我国现存古建筑中规模最大、建筑方井是藻井的最外层部分，四周通常安置斗拱。方形制、装饰与陈设等级最高的皇家宫殿建筑。太和殿藻井之上，通过使用抹角梁，正、斜套方，使井口由方形井作为太和殿主要装饰构件之一，位于太和殿明间天变成八角形。在八角井内侧角枋上贴有云龙图案的随花顶部，是室内天花重点装饰组成部分，是安装在帝王瓣枋，将八角井归圆，形成圆井。圆井之上再置周圈装宝座或佛像顶部天花的一种“穹然高起

2、，如伞如盖”的饰斗拱或云龙雕饰图案。圆井的最上方为盖板，盖板之特殊装饰，烘托和象征封建帝王天宇般的伟大，具有非下，雕凿蟠龙，龙头倒悬，口衔宝珠。常强的装饰效果。其现状图如图1(a)所示。根据太和殿藻井的实际构造，可得出藻井的分层支撑做法有如下特点：1、其由下至上分层为：天花梁——长趴梁、短趴梁形成方形井口——井口趴梁、抹角梁形成八角井——圆井——盖板。2、方形井口的斗拱和其它雕饰，是单独贴上去的，斗拱仅做半面，凭银锭榫挂在里口的方木上。3、八角井外表的雕饰、斗拱均为另外加工构件附在八角井上。4、圆井由一层层厚木板挖拼、叠落而成。根据故宫博物院太和殿项目组提供的资料，太和殿

3、蟠龙藻井整体下垂约10cm，支撑藻井的趴梁产生通裂缝。井口趴梁端部现状照片如图1(b)所示。由该图可知，(a)藻井仰视图该井口趴梁裂缝由藻井与趴梁相交处延伸至榫头，而且开裂位置已进行过加固。该藻井底部长宽均为5.94m，由下至上高度分别为方井高0.5m、八角井高0.57m、圆井高0.725m，下端支撑藻井的井口趴梁长8.46m，截面尺寸0.30×0.36m，两端做半榫刻口搭在天花枋上。藻井材料除中部龙口的宝珠外，均为木结构材料。1模型建立本文利用ANSYS分析方法对藻井结构现状进行仿真分析。根据木结构材料具有三维各向异性特点，考虑使用solid64单元模拟[2]，其常数输

4、入如表1所示。表1ANSYS模拟藻井的参数假定输入项对应项物理意义(b)井口趴梁裂缝EXEL木材顺纹弹性模量图1太和殿藻井现状图EYET木材切向弹性模量EZER木材径向弹性模量作者：故宫博物院古建部，工程师PRXY0.3Z向泊松比·7·PRYZ0.3X向泊松比PRXZ0.3Y向泊松比GXYGLTXY平面剪变模量GYZGRTYZ平面剪变模量GXZGLRXZ平面剪变模量当缺乏试验数据时，木材的一些数据取值为[3]：（a)健康状态下藻井挠度图由于本文计算对象为硬木松[4]，其原有弹性模量为10000N/mm2，考虑到该藻井长期荷载以恒荷载为主，使用年限超过100年，故考虑弹性模

5、量折减[3]，取EL=7000N/mm2。根据藻井结构特点，将藻井盖板周圈的斗拱用等质量圆锥模拟。此外，由于藻井正中的宝珠材料质量很小，其密度类似玻璃，因此可用等质量圆柱进行模拟。该藻井受的荷载主要为自重荷载及施工荷载（取值3000N/m2），半榫搭接按简支考虑，建立ANSYS力学模型如图2所示。(b)长期使用年限下藻井挠度图图3藻井挠度图步进行研究。2.2强度取值木材有一个显著的特点，就是在荷载的长期作用下强度会降低。所施加的荷载越大，则木材能经受的时间越短。根据《木结构手册》提供数据，木材在荷载的长期作用下强度降低，10000天后，木材的强度为瞬时图2藻井ANSYS模

6、拟图强度的比例：顺纹受压0.5－0.59；顺纹受拉：0.5；静在ANSYS建模过程中，藻井的方井和圆井部位有力弯曲：0.5－0.36；顺纹受剪：0.5－0.55。根据中周圈斗拱，因为单元太小，ANSYS无法进行网格处理，国林业科学院提供正常状态硬木松的强度数值，参考因此，将这些斗拱重量并入藻井中。此外，由于ANSYS《木结构设计规范》规定的硬木松强度值，列出木材强度取值如表2所示[5]。分网建立计算模型缘故，八角井部分自动圆化处理，成表2木材强度取值单位（N/mm2）为类似于圆状有限元模型，这些并不影响分析结果。顺纹抗拉顺纹抗压顺纹抗剪静力弯曲2结构分析林科院提供值743

7、5.37.7662.1挠度分析强度折减数据3717.63.8523.8图3(a)为健康状态下藻井的挠度图。由图可知，藻《规范》数据8.5121.513井在健康状态下（太和殿结构刚完工状态）挠度最大值2.3力学分析发生在中部，仅为1.5cm，符合木结构设计规范中的挠图4为藻井第一主应力现状图。易知，藻井最大主度容许值（2.4cm）。图3(b)为考虑藻井长期使用年限应力发生在榫头部位，其值为26.7MPa，小于强度折下的挠度图。由该图可知，此时藻井的最大挠度值位置减后的木材顺纹抗拉强度容许值。图5为藻井第三主应仍然发生在中部，但达