以蔚县古戏台为例探究古建筑尺寸比例对抗震性能的影响

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中国木结构古建筑具有优良的抗震性能,古建筑典籍中对于构件的尺寸比例具有其独特的规定,为探究二者之间是否有联系以及二者之间的关系为何,本文选取蔚县两座清代木结构古戏台进行实地三维扫描测绘,同时收集统计其材料信息、强度信息、损伤信息以及修缮信息;出具其三维模型,对其各个构件尺寸进行统计,并选取檐柱高度与明间面阔的尺寸比例为研究对象,将该尺寸比例进行改变,其余条件均保持一致,构造不同尺寸比例的模型,对其自振性能以及地震波作用下的耗能能力进行比较,探究清《工程营造则例》对于檐柱高度与明间面阔尺寸比例规定的合理性。论文主要研究成果如下:(1)完成了李堡子戏台以及南留庄戏台的点云数据采集,构造其点云模型,并结合项目组之前已建立点云模型的崔家寨戏台模型,对三座蔚县古戏台的材料、强度以及损伤、修缮信息进行统计记录。(2)将古建筑典籍清《工程营造则例》中对于木结构小式建筑各个构件尺寸比例信息进行收集统计,并与三座戏台实测尺寸比例进行对比,发现其主要受力构件的尺寸比例较为严格地遵守典籍中的尺寸比例规定,而在结构中非受力构件则并未严格遵守典籍中规定的尺寸比例,相比较之下其尺寸选取稍灵活。(3)采用PERFORM-3D数值计算软件对古戏台建模分析。随檐柱高度与明间面阔尺寸比例以0.1的间隔从0.2-1.3的递增,同一戏台模型前三阶振型的自振周期以及同一地震工况下输入同一地震能量结构所耗散地震能量的发展均呈现“稳定持平——突降——稳定持平——突降——稳定持平”状态。第一次突降位于0.5或0.6尺寸比例处,第二次突降均位于1.0尺寸比例处。对于两座戏台的所有模型而言,0.7-0.8尺寸比例的抗震性能均位于中间第二次的稳定持平地震能量发展趋势的尺寸比例范围内。经分析认为较小的尺寸比例建筑虽具有更为优良的地震能量耗散能力,但显然其层高过低,严重影响其室内光照以及人类日常活动;较大的尺寸比例则表现出随尺寸比例增大而逐步降低的抗震性能。为兼顾考虑抗震性能以及建筑的实用性,因此古代建筑书籍规定中间的稳定持平抗震性能的0.7-0.8的尺寸比例为最佳檐柱高度与明间面阔尺寸比例。此尺寸比例的界定体现了古人营造技艺的合理性,对现代建筑设计也具有一定的参考借鉴意义。
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