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古建木构架抗风的力学机理分析

来源:永乐古建 作者:佚名 更新于:2016-2-17 阅读:

  在上式(5)中Mb可认为是恒定,Mf则是仅当出现NS时才会形成来参予工作。而NS的出现是标志着单由Mb来约束柱已能力不足,需Mf出面参予合作才能完成的约束柱的侧倾歪倒。这里反映出一个现象,即当柱顶压重N很大(多层塔类结构当属此),柱的尺寸又较宽(即B较大)时,Mb将显著为大,此情况下有可能会是单有Mb即可约束柱不出现侧倾歪倒。此时的柱身只是将要出现侧倾趋势——柱顶位移则有一点出现,其量远不及起步位移S值,在这种情况下对结构的使用无疑是十分良好的。

  为进一步阐明Mb存在的作用意义,今借文献[5]、[6]对应县千年木塔的有关数据、尺寸对Mb作如下粗略估算:

  木塔上部总重(不计底层墙体重时)=2940t。

  塔高65.86m,除去顶部尖端及底部半层高后的计算底层风压总剪力的承风压折算高度取为48m。

  塔身八角形,近似取受风面的直径为25m。

  塔体明暗共9层,底层柱净高取用5.2,柱宽取5.2÷11=0.48m。

  今设塔底的柱根数为n,则单柱承担的下传竖载力N=2940t÷n。

  按公式(4)计算Mb并取K=0.85,则

   Mb=0.85×(2940÷N) ×0.48=(1200÷N)t-m

  据文献[11]计算塔体受风时的底层总剪力V为:

   V=1.4×1.05×1.42×0.8×0.8×55×48×25=88172kg

  此总剪力对底层柱顶产生的总弯矩=88.172×5.2=458.5t-m。

  平衡此弯矩所需全效能服务的柱根数=458.5÷1200/n=38.2%n。

  上式计算充分说明Mb的影响是相当可观,不需全部柱参予,仅有总数38.2%的全效柱即可在塔体不出现明显的“起步变形”条件下(即枋件端榫全然不工作),单由柱顶底传力移位的效应力矩即可与塔体受风的设计值取得平衡。

  细心观测图5所示的多层塔梁柱接头示意,可看出上述结论并不意外。这是因为夹于上下柱之间的梁完全类似于上下柱连成整根而梁好象是透榫,穿入其间,榫与卯孔间完全无隙,这样的约束虽然不是真正的透榫但其作用效果是可以令人满意的。

  

  

   3.3 通过以上的分析探讨,我们可对古建构架特点作如下表述。

  (1)古建木构架的主件皆由柱、梁件、枋件三类构成,梁件与枋件上下平行配置,但二者有着明确的分工。梁件首先始终承担其上竖载的向下传递(其对水平外力的抵抗参予则与传载大小、柱宽尺寸有关)。而枋件仅在必要情况下——即柱出现一定的侧倾S之后,才承担抵御水平外载。

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