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我国古建筑木结构性能探讨

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摘要:研究了中国古建筑木结构的基本特点,认识到中国古代木结构的基本单元为矩形,构件之间的连接为榫卯连接.利用简单的结构模型,对中国古代木结构的稳定性、在单个构件失效时的非敏感性以及良好的抗震性能做出初步论证.

关键词:中国古代木结构;构架;基本单元;连接;稳定性

0引言

中国的木结构制作已有数千年历史,别具特色构造精妙、结实牢靠,是中国的国粹[1-2].相邻的构件之间用榫卯连接,结构的基本的单元是矩形,这两点是中国古代木结构,特别是中国古建筑的木制框架结构(见图1和图2)的基本特点.中国的木结构不仅在构件间的连接方式不同于源于西方的桁架结构,其结构的基本单元也不同于桁架结构.我们知道,桁架结构的基本单元是三角形,如图3所示.桁架结构的基本单元之所以是三角形,是根据古希腊人所认识到的一个几何学原理:三个边长分别是确定的三角形,其形状是确定的.因此,以三角形为结构单元的桁架结构的每一杆件都位于确定位置,这就是说以三角形为结构单元的桁架结构具有几何学的稳定性[3-4].中国古代木结构保持结构稳定性的原理不同于西方的桁架结构,但是,中国古建筑不仅完全能够承受常规载荷(根据使用需要确定的载荷),即使是在非常规载荷(来自非使用需要本身的突然作用的强载荷,例如地震)作用下也可以保持结构的原有状态[2,5].实践表明,中国古代木结构从力学角度上讲具有稳定性.中国古代木结构保持结构稳定性的原理以及中国古代木结构在结构稳定性方面所具有的特点是值得探讨的问题[5-6].

1中国古建筑构架的形式及连接方式

中国古建筑多为木制框架结构的建筑,其结构可分为抬梁式及穿斗式两种主要形式,如图1和图2所示.抬梁式结构的建筑成熟于春秋时期,穿斗式结构的建筑成熟于汉代.抬梁式结构是以柱上架梁,梁上安装短柱,短柱上再架短一些的梁的方式组成.抬梁式结构的建筑,其室内少支柱或者无支柱,从而可使室内空间开阔,但是建造抬梁式结构的建筑需要用较大的木材、耗材量也较大.大型的和重要的中国古建筑(宫殿、庙宇等)几乎都采用抬梁式结构建造,抬梁式结构在北方比较流行.穿斗式结构的柱子比较密,而柱径略小,不设承力的梁,来自屋顶的载荷,直接作用于柱上,整体框架用“穿”贯于柱间形成.穿斗式结构的建筑减小了大木材的耗用,但是室内柱子密集,对房屋内格局的安排有一定妨碍.穿斗式的结构多见图3一种桁架结构于南方民宅.抬梁式、穿斗式这2种木结构均采用榫卯连接,如图4所示.木制结构中采用榫卯,在中国具有久远的历史,可以追溯到新石器时代,在距今约70000年的河姆渡文化遗址,人们发现了大量有榫卯结构的木制构件(见图5).抬梁式、穿斗式这2种中国传统建筑的主要结构体现了中国古代木结构的基本特点[1-2].可以观察出,中国古代木结构的基本特点是:基本单元为矩形,主要的连接为榫卯.

2中国古代木结构保持形状稳定的力学原理

图6(a)展示的是一个由若干相互平行的短杆与两个相互平行的长杆用直榫卯连接起来的基本单元为矩形的木制结构,该结构是最简单的以矩形为单元用榫卯连接的木制结构,该结构可以比较明显地体现以矩形为单元用榫卯连接的木制结构的力学特性.在图6(a)所展示的结构中,假若任意一个矩形单元的形状由矩形改变为非矩形的平行四边形,根据平行四边形的对边必然相互平行的几何性质,各个矩形单元的形状都会发生变化,成为其它形状的平行四边形如图6(b)所示,而每一单元形状的变化必定会造成短杆两端连接部位的榫以及短杆的基体(假若短杆较细)发生弯曲变形.由于各个短杆的基体及其上的榫都发生弯曲变形,于是会形成很大的使结构单元恢复为矩形的恢复力,所以对于以矩形为单元用榫卯连接的木制结构,其原有的各个基本单元为矩形的状态是一种稳定的平衡状态.根据对图6所示的力学模型的讨论,可以看出,中国古建结构其使结构保持固有位置的原理不是使结构不动,在理论上,其整体上可以微动,但是整体的固有位置是稳定的平衡位置,所以,从力学原理讲中国古代木结构是一种形状稳定的结构.这种稳定性决定了中国古代木结构对单个构件的失效具有非敏感性,并且具有良好的抗震性.

3中国古代木结构对单个构件失效的非敏感性

对于图6所示的力学模型,假若有一短杆因断裂而失去作用,仅仅是减少了结构的一个矩形,整个结构仍然是用榫卯连接的基本单元为矩形的结构,结构的外轮廓也仍然保持原有形状如图7所示.任意一个矩形单元的形状由矩形改变为其它形状的平行四边形,也会使各个矩形单元的形状都变为其它形状的平行四边形,各个短杆的基体及其上的榫也会发生变形,所以,仍然会形成很大的使结构单元恢复为矩形的恢复力.这一失效短杆所应承受的载荷被其余的保持效用的短杆平均承担.这说明,中国古代木结构对于除了基干部件(例如大梁)以外的单个构件的失效具有非敏感的特性.这一特性使得很多中国传统建筑在很多构件脱落、断裂的情况下,仍然可以保持建筑的原有框架结构,并且具有足够程度的承载能力,对中国古建筑维修时,例如在对应县木塔以及北京故宫的多处殿宇进行维修时,人们都发现了这一点[7-8].这一特性是现代的桁架结构所不能企及的[5],我们知道,桁架结构的力学模型是由铰链联接的直杆所构成的二力杆系统.在经常的情况下桁架结构只要一杆失效,桁架结构就会因为失稳而迅速失效[3-4].例如,对于图5所示的这种被普遍采用的桁架结构,若其内部的一个腹杆失效,则所示的桁架结构成为内部自由度为1的四杆机构,若其中的一个弦杆失效,整个桁架结构就成为内部自由度为1的二杆机构,这种内部自由度大于零的可动的结构对荷载没有抵抗能力,在荷载的作用下,结构内部发生相互运动,使得整个结构迅速失稳破坏[9].在西方建筑的工程史上,不乏因为一个构件的破坏或者失稳而导致整个结构破坏的例证.

4中国古代木结构的抗震性

地震波存在沿竖直方向传播振动的纵波以及沿水平方向传播振动的横波这两种独立的行波.因为建筑物更容易在水平方向的振动下破坏,所以相应所作的研究也比较多[10-11].我们也针对沿水平方向传播振动的横波,用简单模型(见图8)讨论中国古代木结构的抗震性.对于图8所示的力学模型,存在水平地震波时,在上半周期(见图8(a)),假设力学模型的左侧下方A点受到地震水平波向右的作用,右侧上方C点受到由障碍物所产生的向左方的作用力,于是力学模型向左方倾斜,基本单元及整体都成为向左方倾斜的平行四边形;在下半周期(见图8(b)),假设力学模型的右侧下方D点受到地震水平波向左的作用,左侧上方B点受到由障碍物所产生的向右方作用力,于是力学模型向右方倾斜,基本单元及整体都成为向右方倾斜的平行四边形.当模型在随同地震波作阻尼强迫振动时,阻尼的来源是榫与卯之间的摩擦,以及短杆的内摩擦.这两种摩擦可以消耗传递给结构的能量,地震波所造成的结构的应变能相应减小,于是减小了结构破坏的可能性.对于一个实际的木构建筑,其框架结构有大量构件,并且各个构件之间都是用榫卯连接的,因此,通过榫与卯之间的摩擦,以及短杆的内摩擦所耗散的能量是很大的,这会大量削减由地震所造成的在结构内所储藏的应变能,于是在相当大的程度上,减小了古建的框架结构在地震时破坏的可能性,地震往往破坏了古建的墙体,但是由于框架抗震性很强,仍然保持完好,所以对古建经常有“墙倒屋不塌”之说.有关文献研究表明:古建筑木结构具有良好的抗震性能,同时,古建筑木结构良好的减震、隔震措施为现今解决结构隔震、控震问题提供了一条合理的途径[5-6].

5结语

中国传统建筑的框架结构,由于其材质是木材,基本单元为矩形,连接为榫卯,这既使得结构的整体可以微动,又使得结构整体的固有位置是稳定平衡的,所以,中国古代木结构在力学上是一种稳定的系统,这种系统对单个构件的失效具有非敏感性以及良好的抗震性.中国古建筑的框架结构具有独到的优异性能.

参考文献:

[1]谢立红.中国古代建筑展[M].北京:中国民主法制出版社,2012.

[2]赵鸿铁,薛建阳,随袭,等.中国古代建筑结构及其抗震[M].北京:科学出版社,2012.

[3]张崇文,曾思庄.结构力学[M].北京:高等教育出版社,1985.

[4]支秉深,包世华,雷钟和.结构力学[M].修订版.北京:中央广播电视大学出版社,1987.

[5]赵鸿铁,张风亮,薛建阳,等.古建筑木结构的结构性能研究综述[J].建筑结构学报,2012,33(8):1-10.

[6]陈志勇,祝恩淳,潘景龙.中国古建筑木结构力学研究进展[J].力学进展,2012,42(5):641-654.

[7]李铁英,秦慧敏.应县木塔现状结构残损分析及修缮探讨[J].工程力学,2005,22(S1):200-212.

[8]周乾,闰维明.故宫古建筑结构可靠性问题研究[J].文物保护工程,2012(5):59-65.

[9]刘大为.世贸大厦坍塌的力学研究[J].科学技术与工程,2005,5(6):378-381.

[10]高大峰,赵鸿铁,薛建阳,等.中国古建木构架在水平反复荷载作用下的试验研究[J].西安建筑科技大学学报:自然科学版,2002,32(4):318-323.

[11]姚侃,赵鸿铁,薛建阳,等.木结构古建筑的抗震性能分析[J].建筑科学,2007,23(7):47-50.

作者:刘大为 单位:兰州文理学院

我国古建筑木结构性能探讨责任编辑:张雨    阅读:人次