有限元分析在古建筑修缮设计中应用

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摘要：有限元分析在传统古建筑受力研究上有着显著的优势，文章以浙江省级文物保护单位平湖市太平桥为例，通过有限元分析对其进行承载力验算，对结构安全作出判断，以为后续的设计工作提供充分的设计依据。

关键词：有限元分析；古建筑修缮；太平桥

古建筑的建造水平多取决于匠人的技艺能力，其工艺多为手口相传，施工技能是长期在动手操作实践过程中练成的，并无系统性的结构理论，而更注重实用性，因此古建筑承重结构的受力体系不能简单以现代结构力学理论进行分析。对有潜在病害问题和安全问题的建筑予以修缮时，前期应当预先开展必要的实地勘察，掌握其受损情况，研究这一受损问题的详细诱因，由此开展科学性的研判分析。在切实掌握有关论证的前提下，方能够引入科学性的举措对病害予以加固处置，规避误判导致的损害。古建筑原料不同、结构繁复，在工程分析方面，基于传统的分析机制无法得到其内部的客观应力数据。因此，文章以浙江省级文物保护单位平湖市太平桥为例，通过有限元分析对其进行承载力验算，对其结构安全作出判断，从而为后续的设计工作提供充分的设计依据。

1工程概况

太平桥位于浙江省平湖市新埭镇新埭社区落北港，建于清乾隆三十五年（1770年），为单孔石拱桥，东西横跨于落北港上，全长27.22m，桥中面宽3.20m，桥端面宽3.96m，净跨9.04m，矢高4.71m，拱券呈纵联分节并列修筑，东西落坡呈喇叭状，东设踏跺27级，西设踏跺28级。桥面两侧设栏板石，末端置抱鼓石。由于年久失修且受自然环境因素等影响，拱券石、拱券等受力构件松动、位移，修缮前定位为危桥。平桥立面正射影像图、病害损伤照片如图1、图2所示。

2有限元数值模拟分析

通过常规的检测手段及计算方法，很难判断出古桥结构是否安全；如按经验评估，则无法提供科学的依据。故通过对桥体的有限元分析，确定古桥结构是否存在安全隐患。首先利用有限元软件构建太平桥的三维模型，根据桥身残损的实际情况考虑截面折减系数的影响，从而初步判定拱桥现存荷载能力[1]。截面折减系数选取过程如下：根据拱券的风化、松动、位移等物化损害各个方面的参量评估规范，结合式（1）分析得到界面受损的综合评判标度R，查表可以得到截面的折减指标[2]。相关表格如表1～表4所示。式中：Rj为检测指标的评定标度，查表1、表2确定；αj为某项检测指标的权重值，按表3确定N=2。计算说明：（1）分析负荷。该桥为人行道桥，分析中考虑恒载和满布人群活载，人群荷载依据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60—2015）[3]规范取3.5kN/m2。（2）材料参数。石砌体的相关指标如表5所示。（3）承载能力折减系数。由于年久失修，太平桥遭受了各种不同情况的病害损伤，尤其是拱券松动、位移，导致拱券的承载能力相应减弱[4]。因此，为保证桥身现状承载能力的计算更加精确，需要在检测结论的基础上对其进行科学合理的折减，如表6所示，截面折减系数取0.98。

3结构承载能力验算

3.1计算模型

此次有限元建模过程中，将石料和砂浆作为整体考虑，假设其各向受力同性，其材料参数根据规范确定数值。根据太平桥的现场测绘数据，利用分析软件建立太平桥的有限元模型，建模时采用实体单元模拟拱桥，栏板简化为作用在拱桥上的荷载，如图3所示，计算模型共划分了个134097个单元和195679个节点，主拱圈两端固结[5]。ABAQUS基本输入参数如表7所示[6]。

3.2计算分析

（1）正应力计算结果。按照正常使用极限状态设计时，恒载+活载作用下结构正应力图如图4所示，分析发现，结构在正常使用状态下的最大应力为0.803MPa，小于结构的抗压强度为1.704MPa。从图4可以看出，在拱上侧墙与土体的交界处附近产生应力集中现象，原因是土体只能起到一个传递竖向力的作用，几乎不能承担弯矩和剪力，在此交界处相当于截面减小。这与检测中拱圈两侧纵联石脱开现象一致[7]。（2）结构位移计算结果。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60—2015）要求的作用短期效应融合，单个桥跨区间内正负挠度绝对值总量的最高值不应高于分析跨径的1‰。按照规范要求，通过上述ABAQUS计算结构位移，恒载+活载作用下结构位移图如图5所示，结构的最大位移发生在填土处，为8mm，拱圈的最大位移发生在跨中，为0.8mm，小于容许L/1000（9.04mm）。

4基于有限元计算分析后的结论

通过以上有限元模型分析，再经过折减，结果显示，古桥在恒载和活载的组合作用下能够满足使用要求，其各类病害损伤不造成结构性的安全隐患[8]。故在此次修缮过程中，在保证主体结构安全的前提下，根据最小干预的原则，仅对拱券石、护券石等松动、位移的构件进行归安，脱榫处采取灌浆处理、桐油石灰膏封护，未对桥身进行整体的加固处理和大范围的维修，最大程度上保留了古桥的历史价值[9]。

5结束语

有限元分析在对非常规的结构体系和具有原料多元性、架构复杂性等特性的传统古建筑受力研究上有着显著的优势，结合对此类建筑的有限元研究，通过对应力云图的分析可以直观地得到正负应力的具体表现，由此得到结构应力集中的详细点位，探明结构薄弱点，从而更直观、科学地对建筑进行结构安全判定，同时研究古建筑架构残损的具体诱因，制定详细的加固策略，对后期的修缮设计有精确的指导作用。

作者:黄进 单位:浙江风土工程设计有限公司