中国古代太和殿藻井的研究上

中国古代太和殿藻井的研究上

保护古董是一项非常重要的工作。太和殿作为宫殿建筑的代表,是我国现存古建筑中规模最大、建筑形制、装饰与陈设等级最高的皇家宫殿建筑。太和殿藻井作为太和殿主要装饰构件之一,位于太和殿明间天花顶部,是室内天花重点装饰组成部分,是安装在帝王宝座或佛像顶部天花的一种“穹然高起,如伞如盖”的特殊装饰,烘托和象征封建帝王天宇般的伟大,具有非常强的装饰效果。其现状图如图1(a)所示。明清时期的藻井,大体是由上、中、下三层组成,最下层为方井,中间层为八角井,上部为圆井结构。方井是藻井的最外层部分,四周通常安置斗拱。方井之上,通过使用抹角梁,正、斜套方,使井口由方形变成八角形。在八角井内侧角枋上贴有云龙图案的随瓣枋,将八角井归圆,形成圆井。圆井之上再置周圈装饰斗拱或云龙雕饰图案。圆井的最上方为盖板,盖板之下,雕凿蟠龙,龙头倒悬,口衔宝珠。根据太和殿藻井的实际构造,可得出藻井的分层支撑做法有如下特点:2结构分析2.1藻井挠度计算方法图3(a)为健康状态下藻井的挠度图。由图可知,藻井在健康状态下(太和殿结构刚完工状态)挠度最大值发生在中部,仅为1.5cm,符合木结构设计规范中的挠度容许值(2.4cm)。图3(b)为考虑藻井长期使用年限下的挠度图。由该图可知,此时藻井的最大挠度值位置仍然发生在中部,但达到5cm。这主要是因为在长期使用年限下(240年以上)木材的弹性模量下降所致。由于该结果并非实测的10cm,下面将结合力学分析进一步进行研究。2.2木材在荷载作用下的强度木材有一个显著的特点,就是在荷载的长期作用下强度会降低。所施加的荷载越大,则木材能经受的时间越短。根据《木结构手册》提供数据,木材在荷载的长期作用下强度降低,10000天后,木材的强度为瞬时强度的比例:顺纹受压0.5-0.59;顺纹受拉:0.5;静力弯曲:0.5-0.36;顺纹受剪:0.5-0.55。根据中国林业科学院提供正常状态硬木松的强度数值,参考《木结构设计规范》规定的硬木松强度值,列出木材强度取值如表2所示。2.3长期荷载作用下的大渗透性分析图4为藻井第一主应力现状图。易知,藻井最大主应力发生在榫头部位,其值为26.7MPa,小于强度折减后的木材顺纹抗拉强度容许值。图5为藻井第三主应力现状图。由该图可知,藻井最小主应力发生在藻井与井口趴梁相交位置,其值32.5MPa,超过了考虑强度折减后的木材顺纹抗压强度容许值。因此,在长期荷载作用下藻井与趴梁相交部位将发生局部受压破坏导致井口趴梁产生开裂。图6为井口趴梁按beam3进行结构力学分析的结果图。由图6(a)可知,井口趴梁最大剪力发生在榫头位置,其值为67369N,在该相应位置剪应力为1.87N/mm2,小于考虑强度折减后的抗剪强度容许值。由图6(b)可知,井口趴梁最大弯矩发生在跨中截面,其值为0.17e9N·mm,相应位置弯曲应力为26.2MPa,超出考虑强度折减后的静力弯曲强度容许值。因此,在长期荷载作用下井口趴梁还会因弯曲破坏而产生裂缝。此外,由图4至图6可知,长期荷载作用下,藻井最大及最小主应力、井口趴梁的静力弯曲强度和抗剪强度都超过《木结构设计规范》规定值。藻井结构已超过正常使用极限状态,属不安全体系。3正常使用极限1、长期荷载作用下藻井的强度和变形均超出了《木结构设计手册》规定范围,藻井已超过正常使用极限状态;2、长期荷载作用下木材的弹性模量下降导致藻井挠度增加,但引起藻井大幅度下沉的主要原因是井口趴梁端部开裂;3、太和殿龙井4、井身结构(感谢故宫博物院太和殿项目组组长张学芹女士对本文作者的热心指点)1、其由下至上分层为:天花梁——长趴梁、短趴梁形成方形井口——井口趴梁、抹角梁形成八角井——圆井——盖板。2、方形井口的斗拱和其它雕饰,是单独贴上去的,斗拱仅做半面,凭银锭榫挂在里口的方木上。3、八角井外表的雕饰、斗拱均为另外加工构件附在八角井上。4、圆井由一层层厚木板挖拼、叠落而成。根据故宫博物院太和殿项目组提供的资料,太和殿蟠龙藻井整体下垂约10cm,支撑藻井的趴梁产生通裂缝。井口趴梁端部现状照片如图1(b)所示。由该图可知,该井口趴梁裂缝由藻井与趴梁相交处延伸至榫头,而且开裂位置已进行过加固。该藻井底部长宽均为5.94m,由下至上高度分别为方井高0.5m、八角井高0.57m、圆井高0.725m,下端支撑藻井的井口趴梁长8.46m,截面尺寸0.30×0.36m,两端做半榫刻口搭在天花枋上。藻井材料除中部龙口的宝珠外,均为木结构材料。1太和殿藻井长期荷载作用下的力学和变形性能本文利用ANSYS分析方法对藻井结构现状进行仿真分析。根据木结构材料具有三维各向异性特点,考虑使用solid64单元模拟,其常数输入如表1所示。当缺乏试验数据时,木材的一些数据取值为:由于本文计算对象为硬木松,其原有弹性模量为10000N/mm2,考虑到该藻井长期荷载以恒荷载为主,使用年限超过100年,故考虑弹性模量折减,取EL=7000N/mm2。根据藻井结构特点,将藻井盖板周圈的斗拱用等质量圆锥模拟。此外,由于藻井正中的宝珠材料质量很小,其密度类似玻璃,因此可用等质量圆柱进行模拟。该藻井受的荷载主要为自重荷载及施工荷载(取值3000N/m2),半榫搭接按简支考虑,建立ANSYS力学模型如图2所示。在ANSYS建模过程中,藻井的方井和圆井部位有周圈斗拱,因为单元太小,ANSYS无法进行网格处理,因此,将这些斗拱重量并入藻井中。此外,由于