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我国是一个历史悠久的文化古国,具有五千年的文化历史。而砖石古塔是中国历史悠久文化的一个见证,它们立于中华大地几千年不倒,它们见证了古代中华儿女优秀建筑设计师们的超凡智慧和辛勤汗水,是我们中华儿女不可多得的一笔无价的财富,我们必须很好地保护这些文化瑰宝。然而中国的古塔建筑却有很多在地震灾害中不断倒塌,为了更好地保护这些古塔建筑,不少学者都对古塔建筑进行了抗震保护研究。云南大理崇圣寺三塔就是属于其中的典范,然而大多数文物抗震保护研究都是对塔身进行研究,而对塔基土体的抗震研究迫在眉睫,也十分有必要。
云南大理三塔,即崇圣寺三塔,创建于唐南诏时期,为南诏大理国的皇家寺院,也是我国西南著名佛塔。崇圣寺三塔始建至今1200余年,是国内保存较完好的古建筑群之一。历经千年风雨沧桑、无数有感地震,南北小塔体已偏离了中垂线,出现了令人担忧的倾斜状态。这其中引起塔体发生倾斜的一个很重要的因素就是地震动荷载的作用引起地基土体的不均匀沉降,导致塔体倾斜。为了更好地对三塔进行有效地保护,有必要对塔基土体在地震荷载作用下的变形进行理论研究。而经查阅国内外近年来的研究文献发现,对古塔地基土体的地震响应研究的文献并不多见,为此本文对其开展一些初步的研究,为古塔的抗震保护提供相关的科学依据。
本论文的研究思路如下:首先查阅了大量相关的文献资料。分析总结了前人、学者对这方面开展的一些研究,并确定采用先进的数值模拟技术对南小塔塔基土体地震响应进行分析研究;然后对动力学有限元基本理论进行了详细的阐述,包括有限元基本理论,动力平衡方程的建立以及动力平衡方程的求解;接着收集了大量崇圣寺三塔保护区的工程地质条件,包括保护区的自然地理、地形地貌、水文地质条件、区域地质概况、三塔场地地层岩性以及不良地质作用和地质灾害;在收集三塔工程地质概况的资料后,开始着手抽象概化、建立二维地质力学模型,并对模型用所需的各种参数和假定进行了研究,并着重对地震波的选取和输入进行了分析研究,以确保模拟结果的真实性;最后对塔基土体的地震响应分两种工况,即工况一:不考虑塔体和土体自重的自由场地;工况二:考虑塔体和土体自重作用。并选取其中的某些关键点,利用ANSYS瞬态动力学分析方法进行了分析研究,得出了一些初步的成果。主要研究成果如下:
(1)不考虑塔体和土体自重的工况:在X、Y方向,位移均表现为随地震波不断变化,最大位移出现在关键点A1上,且最大位移出现在地震波峰值2.12~2.44s之间,在2.24s时达到最大值。在X方向最大位移达12.9mm,Y方向最大位移达1.5mm。水平方向位移响应比竖直方向位移响应强烈;
(2)在工况一中:各左侧关键点位移要比右侧大;同理,对比分析A,B,C三层的关键点可知,从上到下的顺序可以发现,各关键点的位移逐渐减小,直至到C点时可以忽略不计,最大位移出现在最上层的A关键点。说明不同的地层条件对地震响应不同,土层越软,物理力学性质越差,则位移地震响应越大,越容易破坏。地表的位移地震响应比土体深部位移地震响应要大;
(3)由工况二的等效应力分析可知:最大的应力出现在A1点上,而且在A1点等效应力的地震响应过程中,等效应力的峰值出现2.24s。A1、A3较其他各点的应力都要大。在地震荷载作用下,最先发生破坏的是塔基两侧,在此处产生集中应力,再加上由于地震影响产生的循环荷载,使得土体极易发生破坏。而且由于地基土体的物理力学性质的差异,导致A1点比A3点的应力要大得多,从而将在塔基左侧(塔体西北侧)首先发生破坏,和现实中塔体发生倾斜破坏的方向是一致的;
(4)由工况二的X方向位移分析可知:地基最大位移达26.71mm,各点的X方向的位移时程反应和地震波息息相关,各点的位移最大值均出现在地震波最大波峰附近,说明了地震动荷载对地基土体产生了较大的影响,尤其是在X方向上;
(5)由工况二的Y方向位移分析可知:Y方向的最大位移183.97mm。不同的地质条件对地震响应是不同的:地质条件越好,物理力学性质越好,其对地震响应就比较弱;地质条件不好,物理力学性质较差,则反应越强烈,在地震荷载作用下,也越容易发生破坏。在地震荷载作用下,塔基两侧Y方向的位移差达40.94mm,这是引起塔体倾斜的关键因素;
(6)地基土体的应力和位移变化受地震影响较大,其值均随着地震荷载的不断作用而不断变化。而且应力和位移均在地震波峰值区域(2.12s~2.44s)产生最大值,此时塔基两侧产生最大应力和位移差,导致塔体发生倾斜。
(7)通过模拟计算分析可知,南小塔塔体倾斜并不是由于一次地震引起的,而是由于不均匀沉降和历史上多次强烈地震引起的。