古建筑木结构的荷载取值分析_董徐奋.pdfVIP

第 26卷第 4期 2010年 8月 结 构 工 程 师 S t r u c t u r a l E n g i n e e r s V o l 26 N o 4 A u g 2010 收稿日期 2010 03 12 联系作者 E m a i l t j u d x f 163 c o m 古建筑木结构的荷载取值分析 董徐奋 同济大学建筑工程系 上海 200092 摘 要 进行古建筑的维修加固 首先要确定的就是施加于结构或构件上的作用 然后通过作用效应与 其承载力相比 才能确定该结构或构件能否继续使用或需经加固后继续使用 施加于结构上的作用直 接影响维修加固方案的确定 对古建筑修缮设计基准期进行重新考虑 分别讨论了永久作用和可变作 用对古建筑的影响 另外还对地震作用进行了研究 确定了木材及其加固材料的强度 为古建筑的维修 加固提供了技术资料 关键词 木结构 古建筑 荷载 A n a l y s i s o f L o a d s A p p l i e do nH i s t o r i c T i m b e r B u i l d i n g s D O N GX u f e n D e p a r t me n t o f B u i l d i n gE n g i n e e r i n g T o n g j i U n i v e r s i t y S h a n g h a i 200092 C h i n a A b s t r a c t F o r t h ep u r p o s e o f m a i n t e n a n c e o f h i s t o r i c b u i ld i n g s t h ef ir s t s t e pi s t o d e te r m i n e t h e l o a da p p l ie d o nt h es t r u c t u r eo rm e m b e r a n dt h e nc a l c u la t ee f f e c t so fa c t io n s C o m p a r e dw i t hth eb e a r i n gc a p a c i t y a s t r u c t u r eo r a m e m b e r c a nb e d e t e r m i n e d w h e t h e r i t c a nb e u s e d c o n t in u a l l y o r i t n e e d s t o b e s t r e n g t h e n e d T h e l o a da p p l i e do n t h e s t r u c t u r e d i r e c t ly i n f l u e n c e s t h e p l a n o f m a i n t e n a n c e I nth is p a p e r d e s ig nr e fe r e n c e p e r io d f o r r e p a ir i n g i s r e c o n s i d e r e d t h e e f fe c t o f v a r i a b l e a n dp e r m a n e n t a c t i o no n t h e h i s t o r i c b u i l d i n g s is d i s c u s s e d i na d d i t io n th e r o le o f e a r t h q u a k e s i s s t u d i e d A t l a s t th e s tr e n g t hv a lu e s o f t i m b e r a n d s t r e n g th e n i n g m a t e r i a l s a r ed e t e r m i n e d w h i c hp r o v i d e s t e c h n i c a l d a t a f o r m a i n t a in in g t h e h i s t o r i c b u i l d i n g s K e y w o r d s t i m b e r s t r u c t u r e h i s t o r icb u i l d i n g l o a d 1 引 言 对于现代木结构 作用于结构上的荷载和材 料强度已作了大量的研究 分别形成了相应的规 范即 建筑结构荷载规范 G B50009 2001 2 和 木结构设计规范 G B50005 2003 3 而 对于古建筑 由于其历经了数百年甚至上千年 其 材料物理力学性能必然发生变化 因此材料强度 不能按 木结构设计规范 进行取值 另一方面 建筑结构荷载规范 的荷载是按设计基准期为 50年确定的 这显然对古建筑来说不太适合 因 此古建筑维修加固的荷载不能按该规范计算 另 外新型加固材料的性能在以上各规范中也没有涉 及 因此本文就这些问题进行了探讨 2 荷载取值 根据 古建筑木结构维护与加固规范 G B 50165 92 规定 荷载取值方法如下 第 6 2 1条 按本规范进行加固设计时其荷 载除按现行国家标准 建筑结构荷载规范 的规 定执行外 尚应遵守本节的规定 第 6 2 2条 对现行国家标准 建筑结构荷 载规范 中未规定的永久荷载 可根据古建筑各 部位构造和材料的不同情况 分别抽样确定 每 种情况的抽样数不得少于 5个 以其平均值的 1 1 倍作为该荷载的标准值 第 6 2 3条 对古建筑木结构的屋面 其水 平投影面上的屋面均布活荷载可取 0 7 k N m 2 DOI 10 15935 j cnki jggcs 2010 04 013 当施工荷载较大时 可按实际情况采用 第 6 2 4条 验算屋面木构件时 施工或检 修的集中荷载可取 0 8 k N 并以出现在最不利位 置进行验算 第 6 2 5条 基本风压的重现期定为 100 年 基本风压值可按现行国家标准 建筑结构荷 载规范 中的基本风压值乘以系数 1 2 第 6 2 7条 基本雪压的重现期定为 100 年 基本雪压值可按现行国家标准 建筑结构荷 载规范 中的基本雪压值乘以系数 1 2 第 5 5 1条 古建筑的抗震加固 除应符合 现行国家标准 建筑抗震设计规范 G B50011 2001 4 及 建筑抗震鉴定标准 G B50023 1995 5 的要求外 尚应遵守下列规定 1 抗震鉴定加固烈度 应按本地区的基本 烈度采用 对重要古建筑 可提高 1度加固 但应 经上一级文物主管部门会同国家抗震主管部门 批准 2 古建筑的抗震加固设计 应在遵守 不 改变文物原状 的原则下提高其承重结构的抗震 能力 3 对 100年以上或其他特别重要古建筑的 抗震加固方案 应经有关专家论证后确定 3 荷载取值的建议 3 1 古建筑修缮设计基准期 设计基准期是为确定可变作用及与时间有关 的材料性能等取值而选用的时间参数 从设计基 准期的概念可以清楚地知道 设计基准期不同 相 应的作用大小也不同 因此 设计基准期的确定对 可变作用的大小有比较大的影响 古建筑由于其特殊性 其修缮的设计基准期 与普通建筑相比要大得多 因此不能按 建筑结 构可靠度设计统一标准 G B50068 2001 6 中 规定的 50年进行取值 古建筑修缮设计基准期 的确定一方面要考虑该建筑物的现有年龄 另一 方面要考虑该建筑物的价值 同时还要考虑修缮 费用等因素 对于不同的古建筑 可以考虑不同 的修缮设计基准期 本文以修缮设计基准期为 500年考虑 3 2 永久作用 永久作用主要指的是自重 包括屋面自重和 木构架自重 瓦面 屋脊 吻兽等构成了巍峨壮观的屋 顶 根据 营造法式 7 或 清式营造则例 8 以 及所考察建筑物的历史资料 就可以知道该建筑 物的屋面做法 包括尺寸和容重 从而确定屋面重 量 或者直接通过现场考察 也可以确定屋面 自重 木构架是房屋的承重结构 包括椽 擦 阑额 梁 柱 铺作等 各构件的尺寸及数量可以根据 营造法式 或 清式营造则例 及现场考察确定 再根据木材的容重即可计算出各构件的自重 需要注意的是 由于古建筑经历的时间较长 其材料的容重与新材料的容重相比会有差别 且 建筑结构荷载规范 也不可能包括各个历史时 期古建筑的材料 因此对古建筑材料的容重不能 按荷载规范取值 而要进行实测 这也非常适合维 修加固的特点 即进行维修加固时 加固对象已经 确定 相应的永久作用也已确定 现场测定的关键问题在于如何确定现场的测 定抽样数量 通过研究发现 9 所抽样品的平均 值 X 与被抽样母体平均值 0之间的误差由下式 确定 X 0 t 0 n 1 式中 0为母体即欲测定某参数 如自重 强度 等 的均方差 n 为抽样数量 t 为 t 分布函数 由式 1 可见 1 抽样误差X 0随着抽样数量的增加 而减小 尤其当 n 从 1增加至 5时 其误差迅速减 小 当 n 5或 6时 误差减小开始变慢 当 n 0 时 误差的变化已不显著 2 母体的均方差 0较大时 即母体变异 较大时 误差就大 0较小时 其误差也就小 如 根据构造和材料的不同情况分别抽样 势必明显 减小 3 根据经验 恒载 0本身并不大 在现场 实际测定时 应根据构造和材料的不同情况分别 抽样 应用上 权衡经济性和精度要求 抽样的下 限值 n 不应少于 5个 对于设计人员认为特别重 要的部位 可以增加抽样数量 但一般不必大于 10个 计算荷载标准值所用材料容重则为具有一 定保证率的上述抽样所得样品的容重 若材料容 重为正态分布 则计算荷载标准值所用材料容 43 结构分析 结构工程师第 26卷第 4期 重为 Wk 1 1 w w 2 式中 w和 w分别为样品容重的平均值和均方 差 为保证率系数 1 1为古建筑荷载提高系 数 提高系数是考虑古建筑的重要性 尤其是考虑 古建筑已处于严重损坏正在加固的不利状态 3 3 可变作用 可变作用包括屋面活荷载 楼面活荷载和风 荷载 雪荷载 1 屋面活荷载 屋面活荷载按 古建筑木结构维护与加固规 范 规定采用即可 2 楼面活荷载 古建筑木结构维护与加固规范 没有楼面 活荷载的规定 对于单层古建筑 不存在楼面活荷载 但对 于多层古建筑 通常都会对游人开放 让游人观 光 因此存在楼面活荷载 而在 建筑结构荷载规 范 中没有针对古建筑的楼面均布活荷载的类 别 因此无法按规范取值 一种方法是对古建筑楼面活荷载进行调查统 计 对其统计分布做出合理估计 在古建筑修缮设 计基准期最大值的分布上 取其某分位值作为古 建筑楼面活荷载的标准值 由于目前还没有这方面的统计数据 因此本 文建议对于游客较多的古建筑 其楼面活荷载可 按满布的情况来考虑 设拥挤时每平方米游客为 5人 游客平均重量为 650 N 则楼面活荷载为 3 25 k N m 2 再乘以古建筑增大系数 1 1 则楼面 活荷载为 3 58 k N m 2 本文建议取 3 6 k N m2作 为古建筑修缮的楼面活荷载 这与 建筑结构荷 载规范 中的无固定座位的看台的楼面活荷载接 近 且两者荷载情况较一致 因此古建筑楼面活荷 载的组合值系数 频遇值系数和准永久值系数可 按荷载规范中无固定座位的看台这一类别进行 取值 同时为了延长古建筑的寿命 还要限制开放 的时间和人数 对于特别重要的古建筑 甚至应该 停止公开的无限制的开放 避免给古老的木构件 增加更多的负担 3 风荷载 雪荷载 对于作用于古建筑的风荷载和雪荷载标准 值 可以按 建筑结构荷载规范 的方法进行计 算 但由于古建筑的特殊性 要求建筑物在维修 加固后的设计使用期比较长 而规范所给的基本 风压和基本雪压是以 50年一遇统计求得的 即设 计基准期为 50年 因此基本风压和基本雪压不能 直接按照规范取值 要对规范所给的基本风压和 基本雪压进行修正 在 建筑结构可靠度设计统 一标准 中 风荷载和雪荷载均采用极值 型分 布加以拟合 下面就讨论基本风压和基本雪压修 正系数的计算方法 设任意时点荷载随机变量的概率分布 FQ x 服从极值 型分布 即分布函数为 FQ x e x p e x p x m s 3 则可得其均值 E Q 和标准差 s Q 分别为 E Q 0 577 2s m 4 s Q p 2 6 s 2 1 282 6s 5 而设计基准期内最大荷载随机变量 Qma x的概 率分布函数 FQ m a x x 可由下式求得 F Qm a x x FQ x m e x p e x p x m s m e x p e x p x m s e l n m e x p e x p x m s l nm s e x p e x p x m s l n m s 6 由此可见 当原始分布为极值 型分布时 最 大值 Qm a x的分布函数 FQ m a x x 也是极值 型分 布 其标准差 s Qma x 保持不变 即 s Qm a x s Q 均值为 E Qm a x 0 577 2s m s l nm 7 如取任意时点荷载随机变量概率分布的 0 5 分位值为荷载标准值 则可得与不同设计基准期 T 对应的荷载标准值 Q t k E Qma x 1 645s Qma x 0 577 2s m s l nm 1 645 1 282 6s 2 687 1s m s l nm 8 式中 m为设计基准期所对应的荷载平均出现 次数 对于不同的设计基准期对应不同的荷载平均 44 S t r u c t u r a l E n g i n e e r s V o l 26 N o 4S t r u c tu r a l A n a l y s i s 出现次数 从而得到不同的荷载标准值 设 Q T k 为规范规定的设计基准期即 50年对应的荷载标 准值 Q T k为古建筑修缮设计基准期所对应的荷 载标准值 则修正系数 h 为 h Q T k Q T k 9 只要确定了 m和 s 就可计算出 Q T k和 Q T k 从 而计算出修正系数 h 则作用于古建筑的基本风 压和基本雪压就等于修正系数乘以 建筑结构荷 载规范 所给的基本风压和基本雪压 m s 可由表 1查得风荷载和雪荷载在任意时 点的统计参数 荷载平均出现次数 m由表 2查 得 根据上面的方法可求得各种荷载在不同设计 基准期所对应的修正系数 文中计算了修缮设计 基准期为 500年的修正系数 列于表 3 表 1各种荷载的统计参数 T a b l e1 S t a t i s t i c a l p a r a me t e r so f v a r i o u s l o a d s 荷载种类 概率分布类型任意时点荷载 风荷载 按风向 极值 型 F W Y x e x p e x p x 0 359Wk 0 167Wk 风荷载 不按风向 极值 型 F W Y x e x p e x p x 0 323Wk 0 151Wk 雪荷载极值 型 FS Y x e x p e x p x 0 244S 0k 0 199S 0k 表 2设计基准期内荷载的平均出现次数 m T a b l e2 A v e r a g ea p p e a rf r e q u e n c ymi nt h e l o a dd e s i g ns t a n d a r d s p e r i o d 设计基准期 年50500 风荷载50500 雪荷载50500 表 3荷载的修正系数 h T a b l e3L o a dmo d i f i n gc o e f f i c i e n t h 设计基准期 年50500 风荷载 按风向 1 0001 263 风荷载 不按风向 1 0001 264 雪荷载1 0001 294 3 4 地震作用 同样考虑到古建筑的重要性及设计使用期较 长 其抗震设防标准可按 建筑抗震设计规范 中 乙类建筑进行设防 即在一般情况下 当抗震设防 烈度为 6 8度时 应符合本地区抗震设防烈度提 高一度的要求 当为 9度时 应符合比 9度抗震设 防更高的要求 对于特别重要的古建筑 可以按 规范中甲类建筑进行设防 另一方面 古建筑木结构由于其构造上的特 殊性 与现代结构相比有更好的消能减震的作用 因此按照乙类建筑计算其地震作用应该能满足 要求 4 木材设计强度 根据 古建筑木结构维护与加固规范 规定 木材强度取值方法如下 第 6 4 2条 验算古建筑木结构时 其木材 设计强度应符合下列规定 1 按现行国家标准 木结构设计规范 的 规定采用 并乘以结构重要性系数 0 9 有特殊要 求者另定 2 对外观已显著变形或木质已老化的构 件 尚应乘以考虑荷载长期作用和木质老化影响 的调整系数 调整系数取值如表 4所示 表 4 考虑长期荷载作用和木质老化的调整系数 T a b l e4 Ad j u s t me n t c o e f f i c i e n t c o n s i d e r i n gl o n g t e r m l o a d s a n dw o o d i n e s sa g i n g 建筑物修建 距今的时 间 年 调整系数 顺纹抗压 设计强度 抗弯和顺纹抗 剪设计强度 强性模量和横 纹承压设计强度 1000 950 900 90 3000 850 800 85 5000 750 700 75 3 对仅以恒载作用验算的构件 尚应乘以 现行国家标准 木结构设什规范 中规定的调整 系数 0 8 4 验算原件时 若其材质完好 且最大木节 不大于 20 m m 其顺纹设计强度可提高 10 在进行古建筑木结构维修加固时 对于破坏 严重而无法修复的构件只能进行更换 更换用的 新材料应优先采用与原构件相同树种木材 这种 情况下 新材料的强度设计值采用与古木相同的 强度设计值 虽然新材料的实测强度会比古木强 度高 受各种因素的影响也比古木小 如腐朽 但需要注意的是 新材料将承担起所更换的古木 的作用 经过数百年后 新材料也变成了古旧木材 继续其作用 因此 新材料的强度设计值应采用相 同树种的古木强度设计值 如更换用的新材料无法采用与原构件相同树 种木材 则需选用强度等级不低于原构件的木材 代替 其强度设计值仍采用原构件古木强度设 45 结构分析 结构工程师第 26卷第 4期 计值 5 结 论 本文分析了 古建筑木结构维护与加固规 范 中关于木结构古建筑修缮时荷载和材料强 度 得出以下结论 1 考虑古建筑的价值 建议修缮设计基准 期为 500年 2 确定古建筑的永久作用 材料的容重不 能按荷载规范取值 而要进行实测 3 建议古建筑楼面活荷载取 3 6 k N m 2 4 古建筑木结构抗震设防标准按乙类建筑 进行设防 5 新材料的强度设计值应采用相同树种的 古木强度设计值 参考文献 1 中华人民共和国建设部 G B50165 92 古建筑木 结构维护与加固技术规范 S 北京 中国建筑工业 出版社 1992 C h i n a Mi n i s t r y o f C o n s t r u c t i o n G B50165 92 T e c h n i c a l c o d ef o rm a i n t e n a n c ea n ds t r e n g t h e n i n go f a n c i e n t t i m b e r b u i l d i n g S B e i j i n g C h i n a A r c h i t e c t u r ea n dB u i l d i n gP r e s s 1992 i nC h i n e s e 2 中华人民共和国建设部 G B50009 2001 建筑结 构荷载规范 S 北京 中国建筑工业出版社 2001 C h i n aMi n i s t r yo f C o n s t r u c t i o n G B50009 2001L o a d c o d ef o r t h ed e s i g no f b u i l d i n gs t r u c t u r e s S B e i j i n g C h i n aA r c h i t e c t u r e a n d B u i l d i n g P r e s s 2001 i n C h i n e s e 3 中华人民共和国建设部 G B50005 2003 木结构 设计规范 S 北京 中国建筑工业出版社 2003 C h i n aMi n i s t r yo f C o n s t r u c t i o n G B50005 2003 C o d e f o rd e s i g no ft i mb e rs t r u c t u r e s S B e i j i n g C h i n a A r c h i t e c t u r ea n dB u i l d i n gP r e s s 2003 i nC h i n e s e 4 中华人民共和国建设部 G B50011 2001 建筑抗 震设计规范 S 北京 中国建筑工业出版社 2001 C h i n aMi n i s t r yo f C o n s t r u c t i o n G B50011 2001 C o d e f o rs e i s mi cd e s i g no fb u i l d i n g s S B e i j i n g C h i n a A r c h i t e c t u r ea n dB u i l d i n gP r e s s 2001 i nC h i n e s e 5 中华人民共和国建设部 G B50023 1995 建筑抗 震鉴定标准 S 北京 中国建筑工业出版社 1995 C h i n a M i n i s t r y o fC o n s t r u c t i o n G B 50023 1995 S t a n d a r df o r s e i s m i ca p p r a i s e r o f b u i l d i n g S B e i j i n g C h i n aA r c h i t e c t u r ea n d B u i l d i n gP r e s s 1995 i n C h i n e s e 6 中华人民共和国建设部 G B50068 2001 建筑结 构可靠度设计统一标准 S 北京 中国建筑工业出 版社 2001 C h i