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關(guān)于古建筑飛云樓近代主體變形研究的論文
摘要:萬榮古建筑飛云樓據(jù)史料記載已有五百多年的歷史，是中國古建筑木樓閣的典型代表，隨著歷史的變遷、自然環(huán)境與人為環(huán)境的影響，飛云樓出現(xiàn)了樓體構(gòu)架的整體傾斜現(xiàn)象。為確定飛云樓的整體變形現(xiàn)狀，對飛云樓的柱礎(chǔ)沉降、樓層層間位移及樓面扭轉(zhuǎn)情況進(jìn)行了測定。這些成果對今后飛云樓的維護(hù)和監(jiān)測工作具有較大的參考價值。
關(guān)鍵詞:古建筑;木結(jié)構(gòu)建筑;沉降觀測;變形測量
引言
萬榮飛云樓是古木樓閣中的杰出代表作，與山西知名古木結(jié)構(gòu)建筑中的應(yīng)縣木塔并稱為山西的“南樓北塔”。據(jù)史料記載，飛云樓始建于唐代貞觀年間，后損毀重建。現(xiàn)存飛云樓建于1506－1521年間，歷史上曾經(jīng)歷過多次修繕，現(xiàn)存碑刻記錄中較近一次的歷史修繕實(shí)施于1858年，因長年未進(jìn)行大的結(jié)構(gòu)修復(fù)，現(xiàn)木樓閣已嚴(yán)重傾斜，瀕臨倒塌。鑒于飛云樓需進(jìn)行緊急搶險維修，故開展了木樓閣主體結(jié)構(gòu)的變形測量工作。
1飛云樓的結(jié)構(gòu)沉降現(xiàn)狀
因地基沉降有可能導(dǎo)致柱礎(chǔ)石沉降不均，并引起主體結(jié)構(gòu)的整體傾斜，故利用水準(zhǔn)儀以飛云樓柱礎(chǔ)石頂標(biāo)高為測試對象，對飛云樓的地基變形情況進(jìn)行了觀測。礎(chǔ)石編號及位置見圖1，礎(chǔ)石沉降量觀測值見表1。從測量結(jié)果可以看出，柱腳的相對高差會受到地基沉降、基礎(chǔ)損蝕及建造安裝偏差等因素的影響。以框架形式為主的中國古木樓閣、木塔建筑，承重木柱由于位置不同受荷差異大，內(nèi)金柱、外金柱柱負(fù)荷大于檐柱，“通天柱”大于一般內(nèi)、外金柱。在重荷下，柱底沉降量隨時間的推移而逐漸穩(wěn)定。當(dāng)古建筑因構(gòu)件殘損、變形或歷次修繕改變結(jié)構(gòu)傳力途徑后，沉降會有小幅變化。對于古建筑木結(jié)構(gòu)的沉降評定，在GB50165—92《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》［1］中明確規(guī)定，應(yīng)參照GB50007《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》［2］的相關(guān)規(guī)定，即相鄰柱礎(chǔ)的高差應(yīng)＜0．003L(L為相鄰框架柱的柱間距)。飛云樓的承重柱礎(chǔ)石柱間相對沉降差有40%不滿足規(guī)范限值要求。首層承重木柱金柱與檐柱在受力上差距較大，在分析構(gòu)架平面沉降趨勢時應(yīng)區(qū)別對待。對首層承重木柱柱網(wǎng)可分為六個平面構(gòu)架，列出沉降趨勢線如圖2所示。兩條南北向柱架沉降曲線從東、西面金柱相對沉降來看，僅3～4區(qū)間柱體沉降趨勢相同，相同沉降趨勢區(qū)間中東南通天柱和西南通天柱較低，應(yīng)為通天柱豎向荷載較大所致。其他四條東西向柱架沉降曲線中，北側(cè)檐柱由西向東有逐步增高的趨勢，檐柱C13、C14的礎(chǔ)石頂面明顯低于其他礎(chǔ)石頂面，首層西北角檐柱的地基可能壓縮模量偏小或由于滲水等原因?qū)Φ鼗a(chǎn)生了不良影響。沉降趨勢線中并未出現(xiàn)沿某主軸方向逐漸減小(或增大)的趨勢線，因此可以推斷出柱礎(chǔ)石的沉降沒有使建筑物產(chǎn)生整體傾斜。由于古建筑歷史久遠(yuǎn)，未能取得主體結(jié)構(gòu)整體沉降量歷史檢測數(shù)據(jù)，故整體沉降量無法定量評價。
2飛云樓的主體傾斜現(xiàn)狀
飛云樓僅有四根通天柱貫穿于整個樓身高度，結(jié)構(gòu)主體的整體傾斜狀況應(yīng)主要通過通天柱在各分層柱頭傾斜的積累情況予以識別。由于通天柱通常是通過刻半墩接(陰陽巴掌榫或抄手榫)進(jìn)行柱－柱連接的，加之古建筑木結(jié)構(gòu)中柱體歷史構(gòu)造做法、長期重荷下柱體的彎曲變形、柱身殘損、偶然荷載和水平震動等影響［3］，各分層通天柱柱頭的偏移情況會有所變化(見表2)。依據(jù)表2數(shù)據(jù)分析永定柱殘留變形現(xiàn)狀，可得出以下結(jié)論:所有通天柱均有向北偏移的趨勢。各通天柱每層偏移量與柱高的比值不同，主要是因為每根永定柱在各層均為半榫(巴掌榫)拼接而成，接縫處箍約束不緊密導(dǎo)致彎矩引起開裂所致。東南通天柱在一層的傾斜明顯小于二、三層的傾斜，考慮為此柱在二層的接頭明顯松動所致。通天柱的側(cè)移角為柱頭水平位移總量與層間柱高的比值，利用通天柱側(cè)移角反映樓體的最不利層間位移時，一至三層最不利層間位移角分別為3．47%、4．19%、4．62%，均為南側(cè)永定柱。
3飛云樓的主體扭轉(zhuǎn)現(xiàn)狀
飛云樓從外部看為三層四檐木結(jié)構(gòu)，實(shí)為5層，包括3個明層和兩個暗層。利用全站儀對永定柱柱頂進(jìn)行分層坐標(biāo)量測，在底層地面選定原點(diǎn)，并定義正北方向為基準(zhǔn)軸，建立整體坐標(biāo)系。而單個測點(diǎn)的坐標(biāo)會受構(gòu)件尺寸差異、安裝誤差、變形誤差及測量誤差等多因素的影響。利用整體坐標(biāo)可換算出通天柱對角線偏移角α、β角［4］。得出各通天柱頂對角線扭轉(zhuǎn)增量，用其平均值作為評定代表值來評價樓層平面扭轉(zhuǎn)角(見表3)。由表3可以看出，飛云樓樓層扭轉(zhuǎn)效應(yīng)一、二層方向相同，一、二層樓層從俯視角度看均為逆時針方向扭轉(zhuǎn)，二層樓面平面扭轉(zhuǎn)角最大，為1．57°。
4結(jié)論
4．1對萬榮飛云樓的沉降觀測可知，飛云樓主體結(jié)構(gòu)未發(fā)生整體傾斜現(xiàn)象，但局部沉降不均的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，有40%的柱間沉降差不滿足規(guī)范對古建筑木結(jié)構(gòu)的要求。在首層西北角檐柱的地基沉降差較大，在維護(hù)中應(yīng)高度重視。4．2用通天柱側(cè)移角最大值作為古建筑木結(jié)構(gòu)主體最不利層間位移的代表值時，一至三層結(jié)構(gòu)主體最不利層間位移角分別為3．47%、4．19%、4．62%，均為南側(cè)通天柱。4．3利用全站儀對飛云樓各層通天柱的柱頭坐標(biāo)進(jìn)行測量后，利用整體平面坐標(biāo)計算通天柱對角線偏移量，以此評價飛云樓各樓層平面扭轉(zhuǎn)的角度，得出二層樓面平面扭轉(zhuǎn)角最大，扭轉(zhuǎn)方向從俯視角度看為逆時針方向扭轉(zhuǎn)，最大值為1．57°。
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