应县木塔结构稳定性评估预问题之我见

国家重点研发计划支持项目《应县木塔结构稳定性评估与保护研究》研究指南在明确常规研究内容的同时,强调了“研究应县木塔营建历史、形制、用材原则,构件劣化特征与损伤累积效应关系”。清华大学建筑学院研究团队认为该问题正是应县木塔结构稳定性评估工作的基础性“预问题”,并就此进行延伸思考,提出此“预问题”的3个方面及解决问题的相应技术路线。

构造特征对应县木塔柱头铺作受力性能的影响研究

铺作节点是应县木塔的重要组成节点之一,开展铺作的抗震性能研究对应县木塔的保护工作具有重要现实意义。该文主要进行了三层至五层的明层外槽柱头铺作的缩尺模型的拟静力抗震性能试验,研究了构造差异对柱头铺作抗震性能的影响。试验结果表明:具有不同构造特征的三个柱头铺作模型的铺数越多,其耗能能力越强,水平承载力越大。柱头铺作在正向加载时都是以转动变形为主,在负向既有转动变形也有滑移变形。铺数增加会降低构件滑移变形的占比。铺数减少时,柱头铺作模型在负向加载中滑移变形的占比越大,但是当某相邻两层之间的散枓或齐心枓枓耳被剪坏时,负向的滑移变形占比增加明显,DG-1、DG-2和DG-3构件间的最大滑移占比分别达到51%、47%和87%。三层至五层柱头铺作的构件滑移主要位置在模型的中、上端部分。该研究可为应县木塔的安全现状和修缮保护提供充分的基础保障。

应县木塔普拍枋用材方法与残损状况分析

普拍枋的横纹受压变形积累等残损现象是应县木塔结构发生竖向沉降和损坏的重要原因,严重影响木塔的安全性能。为研究应县木塔普拍枋的取材用材信息与残损现状,通过现场勘察记录各层普拍枋用材的年轮数、髓心位置与受压处的压缩情况,并采用无损检测技术获得木材年轮宽窄面与木材大小头摆放方式,同时对端面图像进行处理以计算端面裂隙率与缺损率。研究结果表明,应县木塔普拍枋用材为树龄大于100年的华北落叶松(Larix principis-rupprechtii Mayr.),且尽可能保证了木材两端髓心处于中心位置,同时木材的年轮宽窄面与大小头摆放存在一定规律;木材横纹受压残损是普拍枋的主要残损形式,其中压缩程度大于20%的木构件在各明层内槽普拍枋中占50%,同时随着木塔的使用普拍枋压缩程度仍在增加;木材局部受压是木构件端面开裂残损的重要原因,其中木构件局部受压压缩程度与端头开裂裂隙率呈高度线性相关。

地震保险助力应县木塔古建筑保护

国务院于1961年公布应县木塔为全国重点文物保护单位,2016年9月被吉尼斯世界纪录认证为“世界上最高的木塔”。应县木塔结构虽然对于地震灾害有抗震效果,但是经过长年累月的冲击,部分组件已经开始有损坏的趋势,基于美国、日本、新西兰的地震灾害保险制度经验与启示,整合过去应县木塔受到地震灾害侵蚀损害的数据,提出六点建议:一是自我保险与商业保险分级抗灾;二是应用再保险与风险证券化产品预先筹措损失资金;三是充分融合风险承担和社会参与促使应县木塔加入地震保险;四是解决古建筑地震保险在产品设计和开发方面不足的问题;五是解决应县木塔因应地震的损失压力测试与损失情况不同产生的风险差异化问题;六是解决应县木塔在地震保险实践方面的问题。指出应县木塔可以通过分材料、分层设计分项保险金额与保险费率进行投保,增加商业保险公司承保意愿。

辽代应县木塔的军事守望作用

辽代在修建应县木塔时,从某种程度上也在谋划其军事作用。应州地处辽宋交界,是西京重镇,镇守大同盆地边缘,为彰国军节度使治所。辽代同时具有行国、城国色彩,以应县木塔为代表的军事镇守作用十分重要。而北宋代州“雁门十八隘”,又是应县木塔瞭望之重要对象。宋真宗之后,朝廷采取“塞雁门”之策,东线的大石路战略地位突显,成为应县木塔建成后最重要的瞭望之路。

木质之美:应县木塔在古代建筑艺术中的独特贡献与价值

针对应县木塔独特的建筑艺术与文化价值进行探究,强调了其作为中国现存最高、最古老的木塔所具有的建筑成就,进一步介绍了应县木塔在文化、艺术和历史方面的贡献,探究其宗教价值以及文化融合与艺术教育作用,并分析当前应县木塔的旅游价值以及推动地方经济发展的积极作用。同时,强调应县木塔的保护与修复工作的重要性,并呼吁社会加强对宝贵文化遗产的保护与传承。

应县木塔部分横纹抗压木构件残损分析

对应县木塔二层明层和五层明层内槽转角柱的普拍枋、华拱和泥道拱等横纹抗压构件进行勘测,测量其尺寸与含水率,使用相机拍照记录其破坏特征,后期利用ImageJ软件分析其裂隙率及破坏状况,探讨两明层横纹抗压构件的开裂程度与分布。结果表明:二层明层内槽转角柱上的普拍枋横纹抗压开裂严重,其裂隙率均值为16.6%,多数端面呈散裂状,甚至枋体有完全压溃和部分脱落的现象,华拱和泥道拱横纹抗压裂隙率均值分别为7.7%和12.0%,且拱身已有部分剥离和折断现象;五层明层各内槽转角柱上的普拍枋、华拱和泥道拱横纹抗压破坏主要为细微开裂,其裂隙率均值分别为2.9%、2.6%和2.1%,较二层明层而言,开裂较为轻微;对于木塔两层横纹抗压构件的开裂分布,二层明层多出现在塔身西南和东北方位,而五层明层横纹抗压构件在开裂方位上不明显。本研究所采用的方法可以有效获取应县木塔内部构件的横纹抗压破坏状况及开裂分布,为今后木塔修复与保护工作提供一定的基础数据。

应县木塔“峻极神工”御题相关问题考证

应县木塔“峻极神工”御题有必要与明成祖朱棣北征相联系,具体题写时间大约在永乐二十年(1422年)四月底、八月底或永乐二十二年(1424年)四月中的某个时间段。“峻极”,体现了应县木塔高耸;“神工”,形容应县木塔营造法式、建筑工艺如神来之笔。明成祖题写“峻极神工”,与激励将士、御驾亲征、宣扬国威有一定的关系。之后,在万历四十一年(1613年)端午节,山西左布政使、太康人郭显忠与大同南路通判重装“峻极神工”牌匾,这一事件同样具有浓厚的政治寓意。

应县木塔实体结构的动态特性试验与分析

为了对应县木塔结构动态特性有准确的把握和为研究与维修保护提供依据,对其实体进行现场环境振动测试试验,得到了木塔两个方向的前四阶水平振动模态和位移频域传递函数。根据实测分析结果、振型正交性和已知的结构各层质量,反演推算出了木塔结构层间刚度,发现相邻两层刚度差别较大,这将导致变形集中,此与木塔现状残损、变形状态相一致。利用传递函数技术计算分析了不同地震波作用下的木塔各层的弹性位移反应,建立了适合这类结构动态反应的弹性分析方法。

高层古建筑木结构——应县木塔现状结构评价

位于山西省应县、建于公元 10 5 6年、高度为 65 86m的应县木塔 ,由于材料受化学、物理、生物等的侵蚀 ,结构受地震、大风、竖向载荷及人为损坏等 ,面临修缮与加固。对其结构的详细评价成为修缮加固的基础。(1)根据实测结果分析了木塔构件及整体变形 ,对残损严重的二层平坐层变形进行了详细讨论。 (2 )以变形、残损和构件承载能力为依据对各类构件进行了可靠性等级划分 ,分析了其分布特征及构件和整体的残损状态。 (3 )根据应县木塔 1 10模型拟动力试验结果 ,得到结构非线性恢复力曲线 ,利用能量等效原则分析了木塔弹塑性地震反应 ,划分并标定了木结构地震损坏等级和参数 。

应县木塔抗震性能研究

利用数值模拟方法研究应县木塔的动力特性及其抗震性能。首先从斗拱连接的实际构造出发,建立反映接触传力机制的斗拱节点域计算模型,研究其自身的动力特性,并利用动力特性等效方法将斗拱节点域简化为刚接简化模型和铰接简化模型。然后用简化节点域模型代替实际斗拱节点域建立木塔整体刚接和铰接有限元模型,并对这两个计算模型开展动力特性分析、弹性反应谱分析和时程分析。最后根据计算结果和相关研究成果对其地震作用下的性能进行评估。结果表明:木塔实测振型和计算振型基本相似,实测前4阶振型周期介于刚接计算模型与铰接计算模型之间;木塔二层明层是木塔的薄弱层;木塔在7度(0.15g)多遇地震作用下将产生严重损坏,二层明层位移角接近木塔倒塌的限值,在设防地震作用下有倒塌的可能。

应县木塔修缮用木材的防裂措施

作者根据国家标准《古建筑木结构维护与加固技术规范》GB5016592的规定,建议选用兴安落叶松为应县木塔修缮用材.针对这种木材易于开裂的特性和修缮后再传承千年的要求,该文根据落叶松木材气干过程中开裂程度的试验及落叶松和冷杉胶合梁胶合质量对比试验的结果,提出了采用侧边破心方木钉连接组合梁和层板胶合木两项防裂措施,能将木塔修缮中需置换的木构件干缩裂缝深度控制在GB5016592规定的限值内.

应县木塔地基工程地质勘测与分析

对山西应县木塔环境地质进行了研究 ,弄清了地层年代及存在的断层 ;通过样品分析、标准贯入及静探等方法试验、测试 ,得出了塔院区塔基土的工程物理性质和力学性质、承载力 ;

应县木塔现状结构残损分析及修缮探讨

对应县木塔结构残损状态的详细分析是其修缮加固的基础。木塔木材构件的性能劣化、强外力的作用、环境及人为的不利因素的作用加速了木塔的损伤。通过实验得到了木塔古旧木材的基本物理、力学性能指标,系统分析了木塔构件及整体的残损变形及机理,提出了适用于木塔结构抗震分析的新方法,指出了木塔在7度地震作用下将产生严重损坏。针对历史上木塔修缮工程的特点,提出了木塔现状修缮加固的重点及可行的方法。

应县木塔残损特征的分析研究

根据应县木塔残损现状实测及变形监测数据 ,分析了现有残损产生发展的主要原因及其主要特征 ,提出了抗震设防水平的确定原则和耐久年代的判定准则 .

基于Revit及Revit API的应县木塔建模研究

近年来,建筑信息模型(BIM)出现并蓬勃发展,它实现了建筑、结构、设备、施工及管理等方面的一体化建模,但关于BIM在古木建筑中的研究非常少见.本文基于REVIT软件,选取应县木塔进行古建筑建模技术分析,以"族"为基础,建立了阶基、台阶、华拱、泥道拱、栌斗、格子门、勾栏、屋檐、柱子、梁、椽、斗拱等族,完成了较为清晰、系统的模型信息.并基于.NET平台,结合REVIT API提出了斗拱建模的二次开发技术,降低斗拱创建的难度.对从REVIT中导出的杆系模型,用等效杆系模型代替斗拱,得到了有限元分析模型,通过SAP2000分析了木塔在风、地震等外力作用下的整体力学性能.文章对其他古木建筑的BIM建模技术及结构分析具有参考价值.

应县木塔风作用振动分析

根据随机振动理论,运用风反应谱的概念,按振型分解法进行了木塔的风振分析,求得了风振剪力及风振弯矩,并与风压静力作用对比,得出了风振系数.

应县木塔斗栱竖向受力性能精细化有限元模拟(英文)

山西应县木塔是我国现存最高和最古老的古代木结构建筑。木塔在建造时未曾使用过任何金属连接件,而是通过斗栱和榫卯连接各梁柱构件。木塔在遭受近千年的地震、强风以及人为破坏等作用后,依然屹立不倒,主要是斗栱和榫卯节点起着关键的作用。为了对应县木塔进行结构安全评估,对木塔斗栱的竖向受力性能进行了有限元分析。基于斗栱的真实构造、木材复杂的本构关系模型和各构件间的摩擦接触关系模型,建立了木塔典型斗栱的精细化有限元模型,并对其在竖向荷载下的受力性能进行了模拟分析。

考虑台基影响的应县木塔地震响应有限元分析

为研究台基对应县木塔地震响应的影响,采用ANSYS有限元软件建立了八角形台基、上部木结构及考虑台基影响的应县木塔整体结构有限元模型,采用模态分析法得到了模型的自振频率及周期。分析得到了上部木结构的弱水平刚度方向,并对上部木结构和考虑台基影响的整体结构模型输入地震波激励,对比分析了两种模型的地震响应。结果表明:八角形台基的频率较高且各阶频率比较接近,当上部木结构的高阶频率与台基频率接近时,台基对上部木结构动力特性有较大影响。木塔东西方向为弱水平刚度方向。相比其他地震波激励,当长周期Tianjin波激励时,上部木结构和考虑台基影响的整体结构模型的加速度和位移响应更大。随着输入激励的峰值加速度增大,模型结构动力系数呈减小趋势。在相同峰值加速度的同种地震波激励下,考虑台基影响的整体结构加速度和位移响应均大于仅考虑上部木结构的情况。

应县木塔的避雷机制

我国许多古建筑并无现代避雷设施,却历经千百年而不被雷击。其机制尚未为学术界深入研究。本文以山西应县木塔为对象,进行了比较详细的考察分析,提出"绝缘避雷"这一假设。