蒲云劲

摘 要：嘉绒藏区碉楼作为我国重要的历史文化瑰宝，一旦发生地震灾害，结构倒塌，会给我国优秀文化传统的传承和发展造成重大损失。为了更好地保护碉楼，我们就必须要清楚知道碉楼结构性能。为此，文章基于ADINA有限元分析程序，对嘉绒藏区碉楼的简化计算模型进行了结构静态分析。其研究内容主要有：（1）计算模型的建立：利用ADINA有限元分析软件，建立了嘉绒藏区碉楼模型。（2）碉楼结构静态分析：碉楼属于凹凸不规则、扭转不规则。且负一层和顶层为刚性楼板，一层和二层为柔性楼板。

关键词：嘉绒藏区碉楼；ADINA软件；剪应力

中图分类号：TU352.1 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）29-0064-02

Abstract： As an important historical and cultural treasure in Jiarong Tibetan area， once the earthquake disaster occurs and the structure collapses， it will cause great loss to the inheritance and development of the outstanding cultural tradition in our country. In order to better protect the bunker， we must clearly understand the structure and performance of the blockhouse. For this reason， based on the ADINA finite element analysis program， the paper has carried on the structural static analysis to the simplified calculation model of the blockhouse in Jiarong Tibetan area. The main contents of this paper are as follows： （1） Establishment of the calculation model： using ADINA finite element analysis software， the model of the blockhouse in Jiarong Tibetan area is established. （2） Static analysis of the structure of the blockhouse： the blockhouse belongs to the concave and convex irregular and the torsional irregular. The first floor and the top floor are rigid slabs， and the first and second floors are flexible slabs.

Keywords： Jiarong Tibetan area bunker； ADINA software； shear stress

前言

藏族作为我国西部最为古老的部族之一，为我们留下了众多文化遗产。这些文化遗产具有较高的历史与学术价值，广大学者去研究与保护也就具有比较重要的意义。此项研究有助于提高当地人民生活水平，可以对少数民族建筑的文化传承起到积极促进作用。碉楼建筑是嘉绒藏族物质文化遗产和非物质文化遗产重要的载体。它们也承载藏羌民族的思想理念、审美情趣、宗教信仰和生活习俗，呈现出万千的姿态和迥异的风格，是它们为人类留下的一份弥足珍贵的文化遗产，具有科学价值、历史价值、文化价值和艺术价值。

1 碉楼建模理论分析

碉楼是一种石砌体结构形式的建筑，和石砌体建筑特点比较相似。所用材料基本和石砌体相符，只是碉楼的块石形状各异。粘结材料泥土在整个结构中所占比例要大于一般石砌结构。

砌体是由砌块和砂浆组成的复合材料，对其进行有限元分析常有两类模型：分离模型（离散模型）和整体连续体模型。分离模型即是将砌块和砂浆分别建模，可采用两种处理方式：一种是不考虑砖与砂浆之间的粘结滑移，将砌块与砂浆接触面的所有节点自由度耦合在一起；另一种是考虑与砂浆之间的粘结滑移，将砌块与砂浆通过接触单元或非线性弹簧单元联系在一起。由于砖与砂浆之间的粘结滑移关系曲线目前尚不成熟，接触面的水平粘附强度常常难以得到，目前使用前一种方式的较多且较易实现。整体连续体模型即是将砂浆和砌块作为一个整体来考虑。所以，在目前分离模型可以模拟砌块与砂浆之间的作用和砌体破坏机理，适用于模拟小型试验砌体的破坏行为，但计算量大，建模繁琐；整体连续模型适于分析大規模的墙体，但对于详细的应力分析和理解砌体多样的实效机理却显得不足。

因为要克服离散模型在大型墙体计算量，建模繁琐等问题；克服整体连续模型与实际相差比较远，其计算结果不准确等问题。所以本次建模将整个碉楼进行有限元划分，然后按随机分布的原理将石块、黄泥、木条分别附在单元上，这样做就比较和碉楼实际情况比较相近，而且也提高了计算的精度。

碉楼主要材料是用石块和粘土混合而成的二相体，将分布在墙体的石块和粘土进行随机分布。然后再结合有限元的思想，用ADINA软件建造整个碉楼的有限元模型。这样就解决了离散模型只能用于分析小型试验的局限性，同时也解决了整体连续型模型分析的不准确性。此模型能更准确的分析嘉绒藏族的抗震性能，为嘉绒藏族文化的传承作出了贡献。

2 有限元模型建立过程

根据碉楼的建筑图，在ADNIA中用几何建模方式建立碉楼模型。通过布尔运算将模型的墙体切割，再把切割的每一小块划分为边长为0.2米和0.3米的网格。划分完网格，把墙体创建为一个单元组，门窗过梁添加为一个单元组。

碉楼主要的建筑材料是石块和黄泥，考虑砂浆的不饱和度，有空气的成分，所以将模拟碉楼墙体选用三种材料。黄泥，空气，石块的比例分别为1：5：18。窗、门上设置过梁，采用横纹松木模拟。

在每层的墙角选择四个节点，然后将四个节点通过ADINA软件刚性连接，在中心节点处添加同楼板相近的集中荷载来代替楼板。

3 模型结构不规则类型的判定

根据《抗震规范》，建筑结构的平面凹进的尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%，则称建筑结构为凹凸不规则。根据现场实测碉楼尺寸得到：B=3200mm+2400mm=5600mm，0.3Bmax=9800mm×0.3=2900mm。因为B>0.3Bmax，所以结构属于凹凸不规则。

根据《建筑抗震设计规范》第5·1·1条第3款规定：“质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转的结构”。对“质量和刚度分布明显不对称的结构”，一般情况是指，楼层的最大弹性位移，大于该楼层两端弹性水平位移平均值的1.2倍，即是？啄1>1.2，并且必须满足？啄1<1.5。

对模型在Y方向加0.003mm的位移力，然后进行静态模型计算。选取一层顶部全部节点，通过ANDINA数据分析，可以提取一层水平位移最大值及节点，如图1所示。

由图1可以得到一层最大水平弹性位移Dmax=0.03436mm。如图2所示，分别对4、7、9点下所有节点进行研究在一层平面的水平位移。

通过ADINA软件计算，在一层4、7、9个点的位移分别为0.01919mm、0.00687mm、0.01436mm。

选择4、7节点两端验证结构的扭转不规则：

1.2=1.2×=0.015636mm<？啄max=0.03463mm

1.5=1.2×=0.019545mm<？啄max=0.03463mm

选择7、9节点两端验证结构的扭转不规则：

1.2=1.2×=0.012738mm<？啄max=0.03463mm

1.5=1.2×=0.0159225mm<？啄max=0.03463mm

故该结构为扭转不规则结构，并且不满足抗震设计规范扭转位移限定。

根据《建筑抗震设计规范》，按照国外有关规定，在楼盖周边两端位移不超过平均位移的2倍的情况称为刚性楼盖，超过2倍则属于柔性楼盖。同上，对模型在Y方向加0.003mm的位移力，然后进行静态模型计算。选取顶层楼板刚性连接的四个节点进行位移分析，四个节点位移分别为d1、d2、d3、d4。

经过计算分析，d1、d2、d3、d4均小于2，故负一层楼板为刚性楼板；d2大于2，故一层楼板为柔性楼板；d1大于2，故二层楼板为柔性楼板；d1、d2、d3、d4均小于2，故顶层楼板为刚性楼板。

综上所述，通过ADINA软件数值计算分析，结合《抗震建筑设计规范》判定，结构属于凹凸不规则、扭转不规则。结构底层和顶层楼盖为刚性楼板，一层和二层楼盖为柔性楼板。

4 结束语

本文通过对嘉绒藏寨的结构简化计算模型，通过ADINA软件，加载静力荷载和动力荷载分析模型结构性能，得出以下结论：通过计算验证，碉楼属于凹凸不规则、扭转不规则；碉楼的楼板负一层和顶层为刚性楼板，一层和二层为柔性楼板。

同时，对于一些问题还有待进一步的研究。例如：

（1）本文的计算模型划分的有限元网格比较大，计算结果不够精确。对于模型楼板进行简化，其荷载只作用在几个节点上，引起应力突变比较严重。

（2）本例的计算模型只是一个简化的计算模型，由于没有去现场考察，其材料选取与当地实际建筑材料性能有一定差异，而且所先用的材料都是线弹性材料，没有考虑其塑性变形破坏情况。

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