中國(guó)古代太和殿藻井的研究上

中國(guó)古代太和殿藻井的研究上

保護(hù)古董是一項(xiàng)非常重要的工作。太和殿作為宮殿建筑的代表,是我國(guó)現(xiàn)存古建筑中規(guī)模最大、建筑形制、裝飾與陳設(shè)等級(jí)最高的皇家宮殿建筑。太和殿藻井作為太和殿主要裝飾構(gòu)件之一,位于太和殿明間天花頂部,是室內(nèi)天花重點(diǎn)裝飾組成部分,是安裝在帝王寶座或佛像頂部天花的一種“穹然高起,如傘如蓋”的特殊裝飾,烘托和象征封建帝王天宇般的偉大,具有非常強(qiáng)的裝飾效果。其現(xiàn)狀圖如圖1(a)所示。明清時(shí)期的藻井,大體是由上、中、下三層組成,最下層為方井,中間層為八角井,上部為圓井結(jié)構(gòu)。方井是藻井的最外層部分,四周通常安置斗拱。方井之上,通過使用抹角梁,正、斜套方,使井口由方形變成八角形。在八角井內(nèi)側(cè)角枋上貼有云龍圖案的隨瓣枋,將八角井歸圓,形成圓井。圓井之上再置周圈裝飾斗拱或云龍雕飾圖案。圓井的最上方為蓋板,蓋板之下,雕鑿蟠龍,龍頭倒懸,口銜寶珠。根據(jù)太和殿藻井的實(shí)際構(gòu)造,可得出藻井的分層支撐做法有如下特點(diǎn):2結(jié)構(gòu)分析2.1藻井撓度計(jì)算方法圖3(a)為健康狀態(tài)下藻井的撓度圖。由圖可知,藻井在健康狀態(tài)下(太和殿結(jié)構(gòu)剛完工狀態(tài))撓度最大值發(fā)生在中部,僅為1.5cm,符合木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的撓度容許值(2.4cm)。圖3(b)為考慮藻井長(zhǎng)期使用年限下的撓度圖。由該圖可知,此時(shí)藻井的最大撓度值位置仍然發(fā)生在中部,但達(dá)到5cm。這主要是因?yàn)樵陂L(zhǎng)期使用年限下(240年以上)木材的彈性模量下降所致。由于該結(jié)果并非實(shí)測(cè)的10cm,下面將結(jié)合力學(xué)分析進(jìn)一步進(jìn)行研究。2.2木材在荷載作用下的強(qiáng)度木材有一個(gè)顯著的特點(diǎn),就是在荷載的長(zhǎng)期作用下強(qiáng)度會(huì)降低。所施加的荷載越大,則木材能經(jīng)受的時(shí)間越短。根據(jù)《木結(jié)構(gòu)手冊(cè)》提供數(shù)據(jù),木材在荷載的長(zhǎng)期作用下強(qiáng)度降低,10000天后,木材的強(qiáng)度為瞬時(shí)強(qiáng)度的比例:順紋受壓0.5-0.59;順紋受拉:0.5;靜力彎曲:0.5-0.36;順紋受剪:0.5-0.55。根據(jù)中國(guó)林業(yè)科學(xué)院提供正常狀態(tài)硬木松的強(qiáng)度數(shù)值,參考《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的硬木松強(qiáng)度值,列出木材強(qiáng)度取值如表2所示。2.3長(zhǎng)期荷載作用下的大滲透性分析圖4為藻井第一主應(yīng)力現(xiàn)狀圖。易知,藻井最大主應(yīng)力發(fā)生在榫頭部位,其值為26.7MPa,小于強(qiáng)度折減后的木材順紋抗拉強(qiáng)度容許值。圖5為藻井第三主應(yīng)力現(xiàn)狀圖。由該圖可知,藻井最小主應(yīng)力發(fā)生在藻井與井口趴梁相交位置,其值32.5MPa,超過了考慮強(qiáng)度折減后的木材順紋抗壓強(qiáng)度容許值。因此,在長(zhǎng)期荷載作用下藻井與趴梁相交部位將發(fā)生局部受壓破壞導(dǎo)致井口趴梁產(chǎn)生開裂。圖6為井口趴梁按beam3進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的結(jié)果圖。由圖6(a)可知,井口趴梁最大剪力發(fā)生在榫頭位置,其值為67369N,在該相應(yīng)位置剪應(yīng)力為1.87N/mm2,小于考慮強(qiáng)度折減后的抗剪強(qiáng)度容許值。由圖6(b)可知,井口趴梁最大彎矩發(fā)生在跨中截面,其值為0.17e9N·mm,相應(yīng)位置彎曲應(yīng)力為26.2MPa,超出考慮強(qiáng)度折減后的靜力彎曲強(qiáng)度容許值。因此,在長(zhǎng)期荷載作用下井口趴梁還會(huì)因彎曲破壞而產(chǎn)生裂縫。此外,由圖4至圖6可知,長(zhǎng)期荷載作用下,藻井最大及最小主應(yīng)力、井口趴梁的靜力彎曲強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度都超過《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定值。藻井結(jié)構(gòu)已超過正常使用極限狀態(tài),屬不安全體系。3正常使用極限1、長(zhǎng)期荷載作用下藻井的強(qiáng)度和變形均超出了《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定范圍,藻井已超過正常使用極限狀態(tài);2、長(zhǎng)期荷載作用下木材的彈性模量下降導(dǎo)致藻井撓度增加,但引起藻井大幅度下沉的主要原因是井口趴梁端部開裂;3、太和殿龍井4、井身結(jié)構(gòu)(感謝故宮博物院太和殿項(xiàng)目組組長(zhǎng)張學(xué)芹女士對(duì)本文作者的熱心指點(diǎn))1、其由下至上分層為:天花梁——長(zhǎng)趴梁、短趴梁形成方形井口——井口趴梁、抹角梁形成八角井——圓井——蓋板。2、方形井口的斗拱和其它雕飾,是單獨(dú)貼上去的,斗拱僅做半面,憑銀錠榫掛在里口的方木上。3、八角井外表的雕飾、斗拱均為另外加工構(gòu)件附在八角井上。4、圓井由一層層厚木板挖拼、疊落而成。根據(jù)故宮博物院太和殿項(xiàng)目組提供的資料,太和殿蟠龍?jiān)寰w下垂約10cm,支撐藻井的趴梁產(chǎn)生通裂縫。井口趴梁端部現(xiàn)狀照片如圖1(b)所示。由該圖可知,該井口趴梁裂縫由藻井與趴梁相交處延伸至榫頭,而且開裂位置已進(jìn)行過加固。該藻井底部長(zhǎng)寬均為5.94m,由下至上高度分別為方井高0.5m、八角井高0.57m、圓井高0.725m,下端支撐藻井的井口趴梁長(zhǎng)8.46m,截面尺寸0.30×0.36m,兩端做半榫刻口搭在天花枋上。藻井材料除中部龍口的寶珠外,均為木結(jié)構(gòu)材料。1太和殿藻井長(zhǎng)期荷載作用下的力學(xué)和變形性能本文利用ANSYS分析方法對(duì)藻井結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進(jìn)行仿真分析。根據(jù)木結(jié)構(gòu)材料具有三維各向異性特點(diǎn),考慮使用solid64單元模擬,其常數(shù)輸入如表1所示。當(dāng)缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),木材的一些數(shù)據(jù)取值為:由于本文計(jì)算對(duì)象為硬木松,其原有彈性模量為10000N/mm2,考慮到該藻井長(zhǎng)期荷載以恒荷載為主,使用年限超過100年,故考慮彈性模量折減,取EL=7000N/mm2。根據(jù)藻井結(jié)構(gòu)特點(diǎn),將藻井蓋板周圈的斗拱用等質(zhì)量圓錐模擬。此外,由于藻井正中的寶珠材料質(zhì)量很小,其密度類似玻璃,因此可用等質(zhì)量圓柱進(jìn)行模擬。該藻井受的荷載主要為自重荷載及施工荷載(取值3000N/m2),半榫搭接按簡(jiǎn)支考慮,建立ANSYS力學(xué)模型如圖2所示。在ANSYS建模過程中,藻井的方井和圓井部位有周圈斗拱,因?yàn)閱卧?ANSYS無(wú)法進(jìn)行網(wǎng)格處理,因此,將這些斗拱重量并入藻井中。此外,由于