故宫太和殿藻井结构分析.pdf

7 概 述古建筑保护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。故宫太和殿藻井结构分析周 乾明清时期的藻井，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 1。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：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 1 0 c m，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 5.9 4 m，由下至上高度分别为方井高0.5 m、八角井高0.5 7 m、圆井高 0.7 2 5 m，下端支撑藻井的井口趴梁长 8.4 6 m，截面尺寸0.3 0 0.3 6 m，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 模型建立本文利用 A N S Y S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s o l i d 6 4 单元模拟 2，其常数输入如表1 所示。表 1 A N S Y S 模拟藻井的参数假定输入项对应项物理意义EXE L木材顺纹弹性模量EYE T木材切向弹性模量E ZER木材径向弹性模量P R X Y0.3Z向泊松比(b)井口趴梁裂缝图1 太和殿藻井现状图(a)藻井仰视图作者：故宫博物院古建部，工程师 8 P R Y Z0.3X向泊松比P R X Z0.3Y向泊松比GXYG L TX Y平面剪变模量GYZGRTY Z平面剪变模量GXZGLRX Z平面剪变模量当缺乏试验数据时，木材的一些数据取值为 3：由于本文计算对象为硬木松 4，其原有弹性模量为 1 0 0 0 0 N/m m2，考虑到该藻井长期荷载以恒荷载为主，使用年限超过1 0 0 年，故考虑弹性模量折减 3，取E L=7 0 0 0 N/m m2。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3 0 0 0 N/m2），半榫搭接按简支考虑，建立 A N S Y S 力学模型如图 2 所示。在 A N S Y S 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，A N S Y S 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A N S Y S分网建立计算模型缘故，八角井部分自动圆化处理，成为类似于圆状有限元模型，这些并不影响分析结果。2 结构分析2.1 挠度分析图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1.5 c m，符合木结构设计规范中的挠度容许值（2.4 c m）。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5 c m。这主要是因为在长期使用年限下（2 4 0 年以上）木材的弹性模量下降所致。由于该结果并非实测的1 0 c m，下面将结合力学分析进一步进行研究。2.2 强度取值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，1 0 0 0 0 天后，木材的强度为瞬时强度的比例：顺纹受压0.5 0.5 9；顺纹受拉：0.5；静力弯曲：0.5 0.3 6；顺纹受剪：0.5 0.5 5。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 5。表 2 木材强度取值 单位（N/m m2）顺纹抗拉 顺纹抗压顺纹抗剪 静力弯曲林科院提供值7 43 5.37.76 6强度折减数据3 71 7.63.8 52 3.8规范数据8.51 21.51 32.3 力学分析图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 2 6.7 M P a，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 3 2.5 M P a，超过了考虑强度折减后的木材顺纹抗压强度容许值。因此，在长期荷载图 2 藻井 A N S Y S 模拟图(b)长期使用年限下藻井挠度图图 3 藻井挠度图（a)健康状态下藻井挠度图 9 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 b e a m 3 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 6 7 3 6 9 N,在该相应位置剪应力为 1.8 7 N/m m2，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0.1 7 e 9 N m m，相应位置弯曲应力为 2 6.2 M P a，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 结论本文根据木结构材料特点，运用 A N S Y S仿真技术，分析了太和殿藻井在长期荷载作用下（下 转1 7 页）图4 (a)第一主应力整体现状图图4 (b)第一主应力应力局部放大图图5 (a)第三主应力整体现状图图5 (b)第三主应力应力局部放大图（a）剪力图（b）弯矩图图 6 井口趴梁按 b e a m 3 分析时的力学结果图 1 7 水街码头水街外清光绪末年修建，长 9 丈，宽 2 丈 6尺，石阶 8 5级，距离水面 3丈 5尺，左右砌有石角；江船、圩渡、水筏等大小船只都在此停靠。白衣庵码头白衣庵下为钱粮大渡船泊处。该处船户稠密，凡商船后到者，只能泊于江中，唯独钱粮大渡船一到，其他船只皆避让，该船为上游扬美圩直渡，清初年，专载钱粮来城内缴纳，奉有官令，故得到先行靠岸的特权。该渡船 3天 1个来回，载重约 2 3万斤，搭客百余人；光绪年间同时增开 1 条船，避免拥挤，所运大宗货物为谷米、豆食、土布等土特产。民国十年后，因时局关系，载货及搭客量已大不如前。大坑口码头大坑桥下上游圩市来船多停泊此码头，所载为农副产品：鸡鸭牲畜、花生、甘蔗、薯、芋、蔬菜、水果等，每天清晨，农夫、老妇、城中居民云集于此，不下千人。下廓街小码头下廓街外光绪二十三年民间修建，长 7丈 9尺，宽 5 尺，距离水面 4丈 8尺，1 5 8 级台阶。下廓街玄下廓街外光绪十九年修建，长9 丈 5 尺，宽 1 丈 3 尺，距离水面 5 丈 5 尺，1 6 7 级台阶，中间修建坛庙码头1 个平台。花费 9 6 5 元。水口街龙母水口街外民国八年官方修建，长7 丈 5 尺，宽 1 丈 6 尺，7 8 级台阶，距离水面4 丈 7 尺，下砌左、庙前新码头右石台，平坦，便于上下船，花费 6 0 0 0元。（资料来源：邕宁县志：建置二）名称位置建造者籍贯梅江书院城西上廓街广东嘉庆州浙江乡祠城内仓西门大街浙江三楚书院沙街两湖江西会馆沙街江西秦晋书院沙街陕西、山西安徽会馆石巷口右侧安徽新城书院石巷口左侧江西新城县二邑会馆 1 2 城西三界坊街广东东莞、南海1 1 祭江台：每年遇江水上涨时，守土官在此祭江神，故此得名，创建年月不祥。光绪三十三年，南宁府彭銮倡捐重修，留下碑记。名称位置建造者籍贯要明书院城西上廓街广东高要、高明粤东会馆城西会馆街广东福建会馆城西上廓街福建顺德书院城西会馆街广东顺德钦灵会馆城西上廓街广东钦州、灵山新会书院沙街广东新会五属会馆共和路（盐埠街）广西玉林、北流、博白、陆川、兴业五县表2 南宁市商业会馆分布（资料来源：邕宁县志：社会二 商业团体调查）1 2 相传二邑会馆由广东省的南海、东莞两县同乡集资筹建。建成之后，各自都想用自己县名命名会馆，互不相让，卒至双方都花大笔钱向衙门打官司，使官府大收渔人之利。结果，由官府赐赠“二邑会馆”金字匾牌，双方作罢。（上接9 页）的力学和变形性能。通过分析研究，得出如下结论：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、井口趴梁开裂的原因是长期荷载作用下木材强度的降低，藻井局部受压强度及静力弯曲强度过大而形成。（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）参考文献 1 马炳坚.中国古建筑木作营造技术 M 北京：科学出版社，1 9 9 2：3 0 9-3 1 2 2 A N S Y S 中国.A N S Y S 基本过程手册.2 0 0 0：4-1 0 3 木结构设计手册（第三版）M 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 5：1 6-2 1，4 1-4 3 4 中国林业科学研究院木材工业研究所.故宫太和殿木结构材质状况勘察报告 R 2 0 0 5，3：5 2-5 3 5 木结构设计规范G B 5 0 0 0 5-2 0 0 3 S :1 3-1 4