弹性模量对砖石古塔抗震性能的影响
摘 要:根据某砖石古塔几何尺寸和结构构造,运用大型有限元软件 ANSYS对其在不同
弹性模量下进行了动力特性分析和等效地震侧力下抗震性能的研究。结果表明:弹性模量
对砖石古塔结构的抗震性能影响较大。
关键词:有限元;动力特性;模态分析
Abstract: According to bricks and stones ancient tower geometry size and
the structure structure, utilization large-scale finite element software ANSYS
has carried on under the dynamic analysis and the equivalent earthquake
lateral force to it under the research on the different elasticity coefficient
resists earthquakes the performance. The result indicated that the elasticity
coefficient is big to the bricks and stones ancient tower structure’s
earthquake resistance performance influence.
Key words: Finite element analysis;dynamic properties;modal anslysis
我国是一个文明古国,辉煌灿烂的古建筑是其重要的标志之一。在古建筑中,砖石古塔
占有重要地位。古塔融合了外来文化和中华传统建筑 艺术 的精华,是我国古代高层建筑
的杰出代表。各地现存的古塔不仅具有宝贵的文物价值,也具有极高的科研价值,对研究我
国古代建筑技术的 发展 具有极其重要的意义[1]。
我国是一个多地震的国家,我国的古塔建筑大都处于地震高发区,据 文献 统计,觉大
多数古塔的破坏、倒塌、都是因为地震造成的[2],今后仍然面临着地震破坏的威胁。现阶
段古塔建筑的抗震 计算 方法主要是有限元法,古塔年代久远,材料弹性模量的取值具有特
殊性和不确定性。本文运用有限元软件 ANSYS,建立砖石古塔三维实体模型,以研究塔体在
不同弹性模量下的抗震性能。
1 砖塔的结构构造及有限线元模型
砖塔的结构构造
该塔平面为正六边形,塔身共 17层,坐落在正六边形的塔基上,塔体由基座、塔身、塔
檐等部分组成,螺旋蹬道从底部贯穿到 7层。标准层平面图见图 1,各层结构尺寸见表 1。
有限元模型
材料的特性
砖石古塔结构的质量及其分布一般是均匀、合理的。根据规范[2]砖砌体的密度一般
取为 1 900 kg/m3,在轴心受压的情况下,砖砌体将产生横向变形。横向变形与纵向变形的
比值为泊松比,由于此塔年代久远泊松比?酌取为 。根据《砌体结构设计规范》(2002-
03-01)在一定的应力范围(弹性形变)内,材料的应力与应变量成正比,这个比例常数称为弹
性模量或弹性系数[3],对于砌体结构材料的弹性模量由砌块强度和砂浆强度决定。初步确
定砖为 MU15,由于砖石古塔年代久远对确定砂浆强度带来一定的困难,以下分 3种方案研究
砖石古塔的动力特性。
方案一:砂浆强度为 ,弹性模量为 E=785f=785×=784 MPa;
方案二:砂浆强度为 ,弹性模量为 E=1 100f=1 100×=1 694 MPa;
方案三:砂浆强度为 ,弹性模量为 E=1 300f=1 300×=2 197 Mpa;
模型的建立
采用 solid45单元建模,三维模型见图 2,自动划分网格,共生成 165 320个单元,14
986个节点,有限元模型见图 3。
2 砖塔的动力特性
计算结果分析
就砖塔结构在 3种不同弹性模量下位移反应来看(见图 4),由于弹性模量的不同,位移
差别很大。方案一顶部位移为 246 mm,方案二顶部位移为 328 mm,方案三顶部位移为 441
mm,方案一与方案三相差 %,可见弹性模量是影响砖石古塔动力特性重要因素之一。
3 结论
由以上分析可以看出,弹性模量对砖石古塔动力特性影响较大,弹性模量的取值直接影
响着古塔的抗震性能,在古建筑分析中要加强对弹性模量取值的重视,以免使分析结果与实
际偏差过大。
参考 文献 :
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[2]周云,宗兰等土木工程抗震设计[s], 科学 出版社,2005
[3]魏俊亚,张东平.砖石古塔动力特性研究[J].工程抗震与加固改造,2008,30(5):103
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