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木結構真钱棋牌複原記:日本大洲城天守閣修繕
編輯: 未知   時間:2018-06-14

  明治維新之後,大洲城天守閣於1888年(明治21年)被拆除。近年來大洲市出於觀光資源的考慮決定啟動天守閣複原計劃。一百多年過去了,天守閣的雛形模型和當時的外觀照片被奇跡般地保存了下來,為天守閣複原計劃奠定了基礎,有力地推動了複原工作的進行(圖1,2)。

  

木結構真钱棋牌複原記:日本大洲城天守閣修繕_1

 

  圖1 天守閣雛形模型;圖2 天守閣舊時外觀

  作為結構技術人員,首要的使命就是在保證大洲城真钱棋牌結構安全性的同時,對其大規模木結構的設計方法進行開發。本文將概括介紹大洲城天守閣在複原設計時的結構設計。

  大洲城天守閣結構概要

  大洲城天守閣真钱棋牌高度為19.15m,一層平麵11.8m×13.8m,共有4層木結構和4層本瓦葺屋頂(圖3~7)。(日本瓦葺主要有三種:本瓦葺、行基葺、棧瓦葺)

  

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  圖3 大洲城鳥瞰圖

  

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  圖4 天守閣外觀

  

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  圖5 天守閣內景

  個真钱棋牌的主體結構主要由兩個部分構成:由大直徑承重立柱、梁、貫(橫木)等結構單元以傳統榫卯連接方式構成的半剛性框架結構;厚度約200mm的土牆(下方為台基、橫木)構成的抗剪結構,也是結構的第二道抗側力體係(這種多層木結構在側力作用下主要為剪切型變形)。另外,垂壁、腰壁是為了控製立柱彎曲形變而專門設計的。平麵中央的主立柱為兩層貫通式,其他立柱則是立於橫梁之上形成上下對應的普通形式。因此,受連

  接梁尺寸的影響,立柱采用最大直徑為一尺八寸(約600mm)的大直徑木材。

  

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  圖6 二層平麵圖

  

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  圖7 南側第十軸剖麵圖

  大直徑的柱子和橫梁構成了主要框架結構,連接部位的結構主要分為長榫貫通式連接和梁頭榫內嵌型兩種,構件大部分為單向連接(T形連接),目的是簡化節點的構造。為防止橫木脫出,柱與橫木的連接節點采用帶榫卯嵌合的貫穿式連接(圖8)。連接節點均為傳統木-木連接,不使用金屬構件。立柱木材選取的是本地檜木和木曾檜木,梁采用木曾檜木,台基采用秋田栗木。

  

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  圖8 貫穿式橫木的連接方法

  最大的課題——連接節點的定量化

  在所有結構中,構造連接節點的設計在決定了框架結構特性與剛度的同時還影響了施工方法並提升了美觀性,展現了設計人員的創造性,這正是結構設計所謂的“根”之所在。傳統木結構中,榫卯節點對結構特性與剛度的影響比其他任何材質的結構(鋼結構、混凝土結構等)都更為重大。因此,如果不能準確、定量化地對榫卯節點位數據(剛度)進行分析研究,想駕馭傳統木結構的構造特性幾乎是不可能的。大洲城項目結構分析中,連接節點的定量化成為最大的課題。要對連接節點的傳力機製以及變形能力進行準確的解析和構造特性的定量化,就必須深入考慮木材本身的基本特性。

  首先從以往研究所收集的數據開始調查。現在關於榫卯接合部的研究在不斷增加,但在大洲城結構設計開始的時候(平成12年,公元2000年),關於傳統木結構真钱棋牌榫卯接合部特性的體係性研究是非常有限的。稲山正弘先生(現東京大學農學部教授)的“木結構局部力學特性”係列研究吸引了我的目光,這一理論是在對不同木材進行實驗的基礎上提出的,其周密性和實用性讓我決定在大洲城的接合部計算模型中采用這一理論。

  木材本身的特點,除了垂直於纖維方向受壓易損以外,也容易產生彎曲、剪切、割裂等脆性破壞。對於這類脆性材料而言,木材在抵禦地震荷載的過程中,其結構需要具備較高的形變容許度,因此結構體係的重要性不言而喻,而連接節點則成為控製結構整體變形能力的關鍵。因木材局部在荷載下屈服的接合方式,使得組成的框架結構變形能力相對更高。傳統木結構真钱棋牌在抵禦地震荷載的過程中十分頑強,一般認為是通過榫卯接合部相對較高的形變容許度來實現的。

  一方麵大尺寸木材的柱、梁構成大洲城天守閣的主要承重結構,從榫卯的木材局部力學特性及其形變能力的角度考慮,接合部的抵抗力矩評估是結構設計時的主要議題,同時榫卯接合部的精確模型化也需要花費大量的時間。

  設計概要

  針對長期豎向荷載及頻遇地震荷載(基本剪切係數=0.20),采用容許應力度法設計。針對罕遇地震的抗震設計,進行了抗水平力能力(日本習慣將風荷載和地震荷載統稱為水平力,而能力則是剛度和強度的統稱)計算以及時程分析法計算,同時采用燃燒計算法進行防火設計。

  

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  圖9 3D 框架解析模型

  進一步深入開發了榫卯節點的抵抗力矩計算法以及節點的轉動剛度計算法。在模型中加入了扭轉彈簧單元,並采用矩陣式分析直接剛度法的3D框架模型(圖9)進行詳細計算。土牆的抗剪剛度在模型中簡化為與剛度相匹配的斜撐進行計算。

  連接節點的模型化

  接合部位的力矩主要是由節點旋轉變形後與柱體接觸麵的局部壓力和摩擦力等因素產生的。部分接合類型(貫通橫木、加銷釘的長梁頭榫(簡稱長梁頭榫)、加銷釘的平梁頭榫(簡稱平梁頭榫))是局部力學特性的狀態假設,利用因旋轉角度而產生的應力關係以及接合部旋轉剛度的計算式進行分析(圖10,11)。模型化木材的局部力學特性研究(節點的受力機製與剛度/強度特性的計算)采用了稲山先生的研究理論。

  

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  圖10 抵抗力矩接合部旋轉剛度計算公式

  

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  圖11 接合部抵抗力矩計算模型

  接合部實驗

  設計中開發的計算模型和實際狀況的匹配度試驗得到了HAZAMA技術研究所的支持和協助,用實物的1/2比例縮小模型進行加力試驗。試驗體主要分為兩個類型:柱和梁構成的T形試件(6個對照組),以及柱和橫木組成的十字形試件(4個對照組),用圖12所示的裝置進行加力試驗(圖13)。通過比對,T形和十字形試件同計算模型模擬的結果吻合度很高。

  

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  圖12 抵抗力矩接合部加力試驗概要

  

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  圖13 抵抗力矩接合部試驗體及位置

  土牆的模型化

  在3D模型中,土牆用剪切剛度匹配的斜撐杆件單元代替便於計算分析。大洲城複原之際進行了牆壁剪切試驗,從結果來看土牆剪切彈性模量為5.5N/m㎡,短期容許剪應力度為0.10N/m㎡;短期地震荷載時土牆剪應力最大為0.075N/m㎡,小於短期容許剪應力。

  抗側向力能力(剛度/強度)的研究

  傳統木結構真钱棋牌的整體剛度/強度往往由接合部的局部力學特性而決定,既往的試驗調查顯示,位移角小於1/15 rad的變形(SLS)仍可維持真钱棋牌的設計性能,牆壁也不能超過1/15 rad位移角度極限。因此,整體結構全體1/15rad的彈性位移角仍可維持結構性能,而從安全方麵考慮,極限位移角保持在1/20 rad以下(ULS)即具備足夠的抗水平力能力,可滿足設計標準需求。

  抗水平力能力研究是利用節點分配法進行木結構構件和牆壁抗剪強度的計算所必需的,此時節點的屈服強度由接合部的強度來決定。

  必要的抗水平力(抗震)強度Ds是“建告第1792號”的計算方法以及延性計算法兩方麵的要求,設計時取其大者。

  在進行LEVEL 2(50 kine)的地震荷載(大地震,按第2 級別地震速度計算, 地震波5 0 k i n e , 速度為50~80cm/s,震度6~7級)多自由度體係模型的時程分析時,仍可滿足正常使用及承載力(變形、剪切力等)的規範要求。各層的分解模型采用三折線(Trilinear)模

  型解析,得到的剛性作為參數逐步變化,共建立54種分解模型進行分析計算。輸入地震波分別使用了ELCENTSNS、TAFT-SNS、TOKYO 101、HACHIN-SNS共4種波型,得到地震響應分析的結果,最保守的計算是假設層間位移角為1/30 rad,抗剪強度仍有15%的冗餘,從而確認設計標準得到充分滿足。

  結語

  傳統木結構的繼承和複興是當下越來越迫切的問題。近年來,日本國內各地傳統木構造的研究、實踐等不斷發展,相關活動也不斷增加,相信不久將會產生更加廣泛的影響。

  此次大型木結構真钱棋牌天守閣的複原項目對我來說是非常寶貴的經驗,也是非常光榮的任務(圖14,15),希望能對大家有所借鑒。

  

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  圖14 一層施工現場

  

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