故宫太和殿藻井结构分析
12 相传二邑会馆由广东省的南海、东莞两县同乡集资筹建。 建成之后,各自都想用自己县名命名会馆,互不相让,卒 至双方都花大牌,双方作罢。
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(上接 9 页)的力学和变形性能。通过分析研究,得出 如下结论:
(资料来源:邕宁县志:社会二 商业团体调查)
名称 要明书院 粤东会馆 福建会馆 顺德书院 钦灵会馆 新会书院 五属会馆
位置
建造者籍贯
城西上廓街
广东高要、高明
城西会馆街
广东
城西上廓街
福建
城西会馆街
广东顺德
城西上廓街
广东钦州、灵山
沙街
广东新会
共和路(盐埠街) 广西玉林、北流、博
白、陆川、兴业五县
11 祭江台:每年遇江水上涨时,守土官在此祭江神,故此得 名,创建年月不祥。光绪三十三年,南宁府彭銮倡捐重修, 留下碑记。
1 、长期荷载作用下藻井的强度和变形均超出了 《木结构设计手册》规定范围,藻井已超过正常使用极 限状态;
本文作者的热心指点)
参考文献 [1] 马炳坚.中国古建筑木作营造技术[M].北京: 科学出版社,1992:309-312.
2、长期荷载作用下木材的弹性模量下降导致藻井 挠度增加,但引起藻井大幅度下沉的主要原因是井口 趴梁端部开裂;
故宫太和殿藻井结构分析
周 乾
概 述 古建筑保护是一项非常重要的工作。太和殿作为 宫殿建筑的代表,是我国现存古建筑中规模最大、建筑 形制、装饰与陈设等级最高的皇家宫殿建筑。太和殿藻 井作为太和殿主要装饰构件之一,位于太和殿明间天 花顶部,是室内天花重点装饰组成部分,是安装在帝王 宝座或佛像顶部天花的一种“穹然高起,如伞如盖”的 特殊装饰,烘托和象征封建帝王天宇般的伟大,具有非 常 强 的 装 饰 效 果 。其现状图如图 1 ( a )所示。
强度都超过《木结构设计规范》规定值。藻井结构已超 过正常使用极限状态,属不安全体系。
3 结论 本文根据木结构材料特点,运用 A N S Y S 仿真技 术,分析了太和殿藻井在长期荷载作用下(下 转17页)
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水街码头
水街外
清光绪末年修建,长 9 丈,宽 2 丈 6 尺,石阶 85 级,距离水面 3 丈 5 尺,左右砌有石
小,其密度类似玻璃,因此可用等质量圆柱进行模拟。
该藻井受的荷载主要为自重荷载及施工荷载(取值
3000N/m2),半榫搭接按简支考虑,建立 ANSYS 力学
模型如图 2 所示。
(b)长期使用年限下藻井挠度图
图 3 藻井挠度图
步进行研究。
2.2 强度取值
木材有一个显著的特点,就是在荷载的长期作用
下强度会降低。所施加的荷载越大,则木材能经受的时
力弯曲:0.5 - 0.36;顺纹受剪:0.5 - 0.55。根据中 国林业科学院提供正常状态硬木松的强度数值,参考 《木结构设计规范》规定的硬木松强度值,列出木材强 度取值如表 2 所示[5]。
表 2 木材强度取值 单位(N/mm2)
顺纹抗拉 顺纹抗压 顺纹抗剪 静力弯曲
2 结构分析
林科院提供值
4、圆井由一层层厚木板挖拼、叠落而成。 根据故宫博物院太和殿项目组提供的资料,太和殿 蟠龙藻井整体下垂约 10cm,支撑藻井的趴梁产生通裂 缝。井口趴梁端部现状照片如图1(b)所示。由该图可知, 该井口趴梁裂缝由藻井与趴梁相交处延伸至榫头,而且 开裂位置已进行过加固。该藻井底部长宽均为 5.94m, 由 下 至 上 高 度 分 别 为 方 井 高 0.5m 、八 角 井 高 0 . 5 7 m 、圆 井高 0.725m,下端支撑藻井的井口趴梁长 8.46m,截 面尺寸 0.30 × 0 . 3 6 m ,两端做半榫刻口搭在天花枋上。 藻井材料除中部龙口的宝珠外,均为木结构材料。
光绪二十三年民间修建,长 7 丈 9 尺,宽 5 尺,距离水面 4 丈 8 尺,158 级台阶。
下廓街玄
下廓街外
光绪十九年修建,长 9 丈 5 尺,宽 1 丈 3 尺,距离水面 5 丈 5 尺,167 级台阶,中间修建
坛庙码头
1 个平台。花费 965 元。
水口街龙母 水口街外
民国八年官方修建, 长 7 丈 5 尺,宽 1 丈 6 尺,78 级台阶,距离水面 4 丈 7 尺,下砌左、
角;江船、圩渡、水筏等大小船只都在此停靠。
白衣庵码头 白衣庵下
为钱粮大渡船泊处。该处船户稠密,凡商船后到者,只能泊于江中,唯独钱粮大渡船一
到,其他船只皆避让,该船为上游扬美圩直渡,清初年,专载钱粮来城内缴纳,奉有官
令,故得到先行靠岸的特权。该渡船 3 天 1 个来回,载重约 2~3 万斤,搭客百余人;
间越短。根据《木结构手册》提供数据,木材在荷载的
长 期 作 用 下 强 度 降 低 ,1 0 0 0 0 天 后 ,木 材 的 强 度 为 瞬 时
图 2 藻井 ANSYS 模拟图
强度的比例:顺纹受压 0.5-0.59;顺纹受拉:0.5;静
在 ANSYS 建模过程中,藻井的方井和圆井部位有 周圈斗拱,因为单元太小,ANSYS 无法进行网格处理, 因此,将这些斗拱重量并入藻井中。此外,由于 ANSYS 分网建立计算模型缘故,八角井部分自动圆化处理,成 为类似于圆状有限元模型,这些并不影响分析结果。
庙前新码头
右石台,平坦,便于上下船,花费 6000 元。
(资料来源:邕宁县志:建置二)
表 2 南宁市商业会馆分布
名称 梅江书院 浙江乡祠 三楚书院 江西会馆 秦晋书院 安徽会馆 新城书院 二邑会馆[12]
位置 城西上廓街 城内仓西门大街 沙街 沙街 沙街 石巷口右侧 石巷口左侧 城西三界坊街
建造者籍贯 广东嘉庆州 浙江 两湖 江西 陕西、山西 安徽 江西新城县 广东东莞、南海
此外,由图 4 至图 6 可知,长期荷载作用下,藻井 最大及最小主应力、井口趴梁的静力弯曲强度和抗剪
图5 (b) 第三主应力应力局部放大图
图4 (a) 第一主应力整体现状图
(a)剪力图
图4 (b) 第一主应力应力局部放大图 图5 (a) 第三主应力整体现状图
(b)弯矩图 图 6 井口趴梁按 beam3 分析时的力学结果图
(a)藻井仰视图
明清时期的藻井,大体是由上、中、下三层组成, 最下层为方井,中间层为八角井,上部为圆井结构[1]。
方井是藻井的最外层部分,四周通常安置斗拱。方 井之上,通过使用抹角梁,正、斜套方,使井口由方形 变成八角形。在八角井内侧角枋上贴有云龙图案的随 瓣枋,将八角井归圆,形成圆井。圆井之上再置周圈装 饰斗拱或云龙雕饰图案。圆井的最上方为盖板,盖板之 下,雕凿蟠龙,龙头倒悬,口衔宝珠。
由于本文计算对象为硬木松[4],其原有弹性模量
(a)健康状态下藻井挠度图
为 10000N/mm2,考虑到该藻井长期荷载以恒荷载为
主,使用年限超过 100 年,故考虑弹性模量折减[3],取
EL=7000N/mm2。
根据藻井结构特点,将藻井盖板周圈的斗拱用等
质量圆锥模拟。此外,由于藻井正中的宝珠材料质量很
3、井口趴梁开裂的原因是长期荷载作用下木材强 度的降低,藻井局部受压强度及静力弯曲强度过大而 形成。
(感谢故宫博物院太和殿项目组组长张学芹女士对
[2] ANSYS 中国.ANSYS 基本过程手册.2000:4- 10.
[3] 木结构设计手册(第三版)[M].北京:中国建 筑工业出版社,2005:16-21,41-43.
根据太和殿藻井的实际构造,可得出藻井的分层 支撑做法有如下特点:
1、其由下至上分层为:天花梁——长趴梁、短趴 梁形成方形井口——井口趴梁、抹角梁形成八角井—— 圆井——盖板。
2、方形井口的斗拱和其它雕饰,是单独贴上去的, 斗拱仅做半面,凭银锭榫挂在里口的方木上。
3、八角井外表的雕饰、斗拱均为另外加工构件附 在八角井上。
· 8 ·
作用下藻井与趴梁相交部位将发生局部受压破坏导致 井口趴梁产生开裂。
图 6 为井口趴梁按 beam3 进行结构力学分析的结 果图。由图6(a)可知,井口趴梁最大剪力发生在榫头位 置,其值为 67369N,在该相应位置剪应力为 1.87N/ mm2,小于考虑强度折减后的抗剪强度容许值。由图 6 (b)可知,井口趴梁最大弯矩发生在跨中截面,其值为 0.17e9N·mm,相应位置弯曲应力为 26.2MPa,超出 考虑强度折减后的静力弯曲强度容许值。因此,在长期 荷载作用下井口趴梁还会因弯曲破坏而产生裂缝。
光绪年间同时增开 1 条船,避免拥挤,所运大宗货物为谷米、豆食、土布等土特产。民
国十年后,因时局关系,载货及搭客量已大不如前。
大坑口码头 大坑桥下
上游圩市来船多停泊此码头,所载为农副产品:鸡鸭牲畜、花生、甘蔗、薯、芋、蔬菜、
水果等,每天清晨,农夫、老妇、城中居民云集于此,不下千人。
下廓街小码头 下廓街外
[4] 中国林业科学研究院木材工业研究所.故宫太和 殿木结构材质状况勘察报告[R].2005,3:52-53.
[5] 木结构设计规范GB50005-2003[S]:13-14.
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74
35.3
7.7
66
2.1 挠度分析
强度折减数据
37
17.6
3.85
23.8
图3(a)为健康状态下藻井的挠度图。由图可知,藻 井在健康状态下(太和殿结构刚完工状态)挠度最大值 发 生 在 中 部 ,仅 为 1 . 5 c m ,符 合 木 结 构 设 计 规 范 中 的 挠 度容许值(2.4cm)。图 3(b)为考虑藻井长期使用年限 下的挠度图。由该图可知,此时藻井的最大挠度值位置 仍 然 发 生 在 中 部 ,但达到 5 c m。这主要是因为在长 期 使 用年限下(240 年以上)木材的弹性模量下降所致。由 于该结果并非实测的 10cm,下面将结合力学分析进一