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山东大学学报(工学版) ›› 2016, Vol. 46 ›› Issue (1): 70-79.doi: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2014.145

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故宫灵沼轩钢结构动力特性与地震响应

周乾1,2,闫维明2,纪金豹2   

  1. 1.故宫博物院, 北京 100009;
    2.工程抗震与结构诊治北京市重点实验室(北京工业大学), 北京 100124
  • 收稿日期:2014-05-21 出版日期:2016-02-20 发布日期:2014-05-21
  • 作者简介:周乾(1975- ),湖南株洲人,副研究员,博士后,主要研究方向为文物建筑抗震加固. E-mail:qianzhou627@hotmail.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金资助项目(50878010,51278013);北京市博士后工作经费资助项目(2013ZZ-04);故宫博物院科研基金资助项目(KT2012-7)

Dynamic characteristic and seismic responses of steel structure of Ling-zhao Veranda in the Palace Museum

ZHOU Qian1,2, YAN Weiming2, JI Jinbao2   

  1. 1. the Palace Museum, Beijing 100009, China;
    2. Beijing Key Laboratory of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
  • Received:2014-05-21 Online:2016-02-20 Published:2014-05-21

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548

摘要： 为保护文物建筑,以故宫灵沼轩钢结构为研究对象,采用数值模拟方法,研究了该结构动力特性及地震响应。基于结构残损现状及钢结点的半刚性特性,考虑3种工况来建立灵沼轩钢结构的有限元模型。通过模态分析,研究了不同工况条件下灵沼轩钢结构的基频和主振型。通过时程响应分析,研究了8度常遇地震作用下典型节点的变形及内力响应情况,讨论了结点刚度退化对结构抗震性能的影响。通过8度罕遇地震作用下的响应谱分析,研究了灵沼轩钢结构的抗倒塌能力。研究结果表明:结点刚度退化时,灵沼轩钢结构基频减小,振动形式发生改变;8度常遇地震作用下,结构保持稳定振动状态,其变形响应峰值趋于偏大,内力响应峰值趋于偏小,且均在容许值范围内。8度罕遇地震作用下,各工况条件下的钢结构均有良好的抗倒塌能力。

关键词: 钢结构, 分析工况, 数值模拟, 动力特性, 地震响应, 灵沼轩, 文物建筑

Abstract: To effectively protect Chinese historic buildings, Ling-zhao Veranda in the Palace Museum was taken as example to study dynamic characteristic and seismic responses of its steel structure by finite element analysis method. Based on damage status of steel structure as well as semi-rigid characteristic of its beam-column joints, the finite element model was built considering 3 cases. By modal analysis, its basic frequencies and main modes under different case conditions were obtained. By time-history analysis, displacement, acceleration and internal force response curves of typical nodes under 8 degree intensity of frequently occurred earthquakes were obtained, and aseismic performances of the structure under different case conditions were also discussed. Anti-collapse performance of the steel structures under 8 degree intensity of rare occurred earthquakes were discussed by spectrum response analysis. Results showed that stiffness of joints of the steel structure degenerated with its basic frequency values decreased, and its main modes changed. With the 8 degree intensity of frequently occurred earthquakes, the steel structure kept stable vibration status. Due to stiffness degradation of its joints, its peak displacement response values tended to increase, and its peak internal force values tended to decrease. All peak values were within permission scopes. When 8 degree intensity earthquakes occurred, the steel structures of different cases still remained their stability.

Key words: Ling-zhao Veranda, steel structure, seismic response, historic building, analysis case, simulation, dynamic characteristic

中图分类号: 

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[1] 毛宪民.紫禁城内水晶宫之谜[N].中国档案报,2001-12-21(008).
[2] 陆元.故宫延禧宫里的“水晶宫”[N].中国档案报,2005-04-08(005).
[3] 朱庆征.方寸之间的宫廷建筑[J]. 紫禁城, 2006,(07):88-91. ZHU Qingzheng. The palace buildings in small sizes[J]. Forbidden City, 2006,(07):88-91.
[4] 曲亮,王时伟,李秀辉,等. 故宫灵沼轩金属构件的病害分析及其成因研究[J].故宫博物院院刊,2013(2):125-138. QU Liang, WANG Shiwei, LI Xiuhui, et al. The causes for diseases and damages to the metal architectural components of Ling Zhao Xuan(Palace)of the Imperial Palace[J]. Palace Museum Journal, 2013(2):125-138.
[5] 张英蓉, 曲亮, 何积铨.气象环境中铁质文物锈层的实验室模拟[J].化工技术与开发, 2013,42(1):5-9. ZHANG Yingrong, QU Liang, HE Jiquan. Laboratory simulation of iron relics rust layer in metrological environment[J]. Technology & Development of Chemical Industry, 2013, 42(1):5-9.
[6] 陈宏,施龙杰,王元清,等.钢结构半刚性节点的数值模拟与试验分析[J].中国矿业大学学报,2005,34(1):102-106. CHEN Hong, SHI Longjie, WANG Yuanqing, et al. Numerical simulation and experimental analysis on steel semi-rigid joints[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2005, 34(1):102-106.
[7] 黄冀卓,王湛,潘建荣.钢结构梁柱连接节点刚度的半解析测试方法[J].工程力学,2011,28(1):105-109. HUANG Jizhuo, WANG Zhan, PAN Jianrong. Semi-analytical method for beam-to-column connection rigidity of steel structures[J].Engineering Mechanics, 2011, 28(1):105-109.
[8] 黄冀卓, 王湛,马人乐.半刚性钢框架优化设计研究[J].四川建筑科学研究, 2007,33(4):23-30. HUANG Jizhuo, WANG Zhan, MA Renle. Optimum design of semi-rigid steel frame[J]. Sichuan Building Science, 2007, 33(4):23-30.
[9] 杜俊,印真,陈力奋.梁柱半刚性连接对钢结构整体抗震性能的影响研究[J].动力学与控制学报,2013,11(2):172-177. DU Jun, YIN Zhen, CHEN Lifen. The effects of semi-rigid joints on the seismic behaviors of steel structure[J]. Journal of Dynamics and Control, 2013, 11(2):172-177.
[10] 杜俊,印真,陈力奋.钢框架连接处半刚性对结构自振周期的影响[J].噪声与振动控制, 2013,33(3):5-11. DU Jun, YIN Zhen, CHEN Lifen. Effects of semi-rigid joints of steel frames on natural vibration period of structures[J]. Noise and Vibration Control, 2013, 33(3):5-11.
[11] ATOROD A, JAMES B R. Static and cyclic performance of semi rigid steel beam to column connections[J]. Journal of Structural Engineering, 1989, 115(12):2979-2999.
[12] HONG K, YANG J G, LEE S K. Parametric study of double angle framing connections subjected to shear and tension[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2001, 57(9):997-1013.
[13] FANG D P, IWASAKI S, YU M H. Ancient Chinese timber architecture-I: experimental study[J]. Journal of Structural Engineering, 2001, 127(11):1348-1357.
[14] FANG D P, IWASAKI S, YU M H. Ancient Chinese timber architecture-II: dynamic characteristics[J]. Journal of Structural Engineering, 2001, 127(11):1358-1364.
[15] 胡习兵,沈蒲生,舒兴平,等.连接的半刚性对钢框架结构动力性能的影响[J].工程抗震与加固改造,2006,28(6):30-33. HU Xibing, SHEN Pusheng, SHU Xingping, et al. Effects of semi-rigid connections on dynamic behaviors of steel frame structures[J]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting, 2006, 28(6):30-33.
[16] 王新敏. ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社, 2007.
[17] 王新敏, 李义强, 许宏伟. ANSYS结构分析单元与应用[M]. 北京:人民交通出版社, 2011.
[18] 国家建筑工程质量监督检验中心. 故宫灵沼轩钢结构检测鉴定报告[R]. 北京: 国家建筑工程质量监督检验中心, 2011.
[19] 孙政,王卫东,李术才,等.橡胶垫浮置板道床结构减振性能研究[J].山东大学学报(工学版), 2011,41(5):108-113. SUN Zheng, WANG Weidong, LI Shucai, et al. Investigation on vibration reduction of a rubber pad floating slab track[J]. Journal of Shandong University(Engineering Science), 2011, 41(5):108-113.
[20] 刘延俊, 郑波, 孙兴旺.漂浮式海浪发电装置主浮体结构的有限元分析[J].山东大学学报(工学版), 2012,42(4):98-102. LIU Yanjun, ZHENG Bo, SUN Xingwang. Finite element analysis of the main floating body of floating wave power device[J]. Journal of Shandong University: Engineering Science, 2012, 42(4):98-102.
[21] 高大峰, 祝松涛, 丁新建.西安永宁门箭楼结构及抗震性能分析[J]. 山东大学学报(工学版), 2013,43(2):62-69. GAO Dafeng, ZHU Songtao, DING Xinjian. Analysis of structural and seismic performance of Yongning Gate embrasured watchtower of Xi'an city wall[J]. Journal of Shandong University(Engineering Science), 2013, 43(2):62-69.
[22] 周旺保, 蒋丽忠, 李书进, 等. 钢-混凝土组合框架地震响应有限元时程分析[J].华中科技大学学报(自然科学版), 2014,42(7): 61-65. ZHOU Wangbao, JIANG Lizhong, LI Shujin, et al. Finite element time history analysis on seismic response of steel-concrete composite frame structure[J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology(Natural Science Edition), 2014, 42(7): 61-65.
[23] 北京钢铁设计研究总院.GB50017—2003 钢结构设计规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2003.
[24] 中国建筑科学研究院. GB 50011—2010建筑抗震设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2010.
[25] 沈望霞, 李忠诚. 核电站混凝土结构弹塑性地震楼面响应谱分析[J].工业建筑, 2014,44(5):61-64. SHEN Wangxia, LI Zhongcheng. Analysis of seismic floor response spectra of elastoplastic RC structures of existing nuclear power stations[J]. Industrial Construction, 2014, 44(5):61-64.
[26] 周乾,闫维明,关宏志,等.罕遇地震作用下故宫太和殿抗震性能研究[J].建筑结构学报,2014,35(S1):25-32. ZHOU Qian, YAN Weiming, GUAN Hongzhi, et al. Seismic performance of Tai-he Palace in the Forbidden City under rare earthquake[J]. Journal of Building Structures, 2014, 35(S1):25-32.
[1] 王忠啸,崔新壮,崔社强,张磊,车华桥,苏俊伟. 咸水区水泥土桩劣化及改性对道路复合地基的影响[J]. 山东大学学报(工学版), 2018, 48(4): 69-77.
[2] 宋贵杰. 浅埋软岩段隧道进洞施工变形特征与失稳分析[J]. 山东大学学报(工学版), 2018, 48(2): 53-60.
[3] 王丹华,张冠敏,冷学礼,徐梦娜,韩圆圆. T型管内两相流分配特性数值模拟[J]. 山东大学学报(工学版), 2018, 48(1): 89-95.
[4] 白现军,王太兴,卫鑫,赵武胜. 近断层速度脉冲对隧洞工程动力响应的影响规律[J]. 山东大学学报(工学版), 2017, 47(2): 14-19.
[5] 夏梦然,李卫,冯啸,朱光轩,李夏. 极浅埋富水砂层地铁横通道注浆加固与开挖稳定性[J]. 山东大学学报(工学版), 2017, 47(2): 47-54.
[6] 郑林彬,王建明,何讯超. 2024铝合金喷丸粗糙度试验与数值模拟[J]. 山东大学学报(工学版), 2017, 47(1): 84-89.
[7] 吕国仁,张群,牛奔,高全亭,武照收. 高层建筑桩基施工对邻近建筑物的影响[J]. 山东大学学报(工学版), 2017, 47(1): 48-58.
[8] 彭元诚,董旭,梁娜,邓振全. 北盘江新型空腹式连续刚构桥角隅节点模型试验研究[J]. 山东大学学报(工学版), 2016, 46(6): 113-119.
[9] 米春荣,李建明. 预应力混凝土管桩后注浆器的研制与应用[J]. 山东大学学报(工学版), 2016, 46(4): 89-95.
[10] 汤潍泽, 欧金秋, 崔新壮, 楼俊杰, 肖溟, 张炯, 黄丹, 侯飞. 车载引起的沥青路面内动水压力现场试验研究[J]. 山东大学学报(工学版), 2015, 45(6): 84-90.
[11] 曹伟东, 戴涛, 于金彪, 席开华, 鲁统超, 程爱杰. 化学驱数值模拟的IMPIMC方法[J]. 山东大学学报(工学版), 2015, 45(1): 88-94.
[12] 高智珺, 崔新壮, 隋伟, 郭洪, 刘航, 李长义, 冯洪波. 大型失控车辆与隧道衬砌的动态相互作用与损伤分析[J]. 山东大学学报(工学版), 2014, 44(5): 49-57.
[13] 张涛, 韩吉田, 闫素英, 于泽庭, 周然. 太阳能真空管的热性能分析与测试[J]. 山东大学学报(工学版), 2014, 44(4): 76-83.
[14] 周前, 赵德刚. 水平旋喷桩在富水砂层浅埋暗挖隧道中的应用[J]. 山东大学学报(工学版), 2014, 44(4): 52-57.
[15] 张文俊,李术才,苏茂鑫*,薛翊国,邱道宏. 基于井间电阻率成像的城市地铁溶洞探测方法[J]. 山东大学学报(工学版), 2014, 44(3): 75-82.
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[1] 李可,刘常春,李同磊 . 一种改进的最大互信息医学图像配准算法[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(2): 107 -110 .
[2] 岳远征. 远离平衡态玻璃的弛豫[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(5): 1 -20 .
[3] 程代展，李志强. 非线性系统线性化综述(英文)[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(2): 26 -36 .
[4] 王勇, 谢玉东.

大流量管道煤气的控制技术研究

[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(2): 70 -74 .
[5] 刘新1 ，宋思利1 ，王新洪2 . 石墨配比对钨极氩弧熔敷层TiC增强相含量及分布形态的影响[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(2): 98 -100 .
[6] 田芳1,张颖欣2,张礼3,侯秀萍3,裘南畹3. 新型金属氧化物薄膜气敏元件基材料的开发[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(2): 104 -107 .
[7] 陈华鑫, 陈拴发, 王秉纲. 基质沥青老化行为与老化机理[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(2): 125 -130 .
[8] 赵延风1,2, 王正中1,2 ,芦琴1,祝晗英3 . 梯形明渠水跃共轭水深的直接计算方法[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(2): 131 -136 .
[9] 李士进,王声特,黄乐平. 基于正反向异质性的遥感图像变化检测[J]. 山东大学学报(工学版), 2018, 48(3): 1 -9 .
[10] 赵科军 王新军 刘洋 仇一泓. 基于结构化覆盖网的连续 top-k 联接查询算法[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(5): 32 -37 .
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