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傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)抗震性能與分析

中國傳統(tǒng)建筑是中華民族在歷史長河中生存智慧、建造技藝和科學(xué)技術(shù)的結(jié)晶，蘊含著中華文明的基因，也是世界文明的重要見證，具有極高的歷史、藝術(shù)和科學(xué)價值。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑是中國傳統(tǒng)建筑中最主要的形式，沿構(gòu)木成架的木結(jié)構(gòu)體系發(fā)展，在藝術(shù)造型、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及受力體系等方面都有獨特風格，在世界建筑中形成獨樹一幟的建筑結(jié)構(gòu)體系，影響了日本、韓國等國家的建筑結(jié)構(gòu)。

我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)在營造方法、受力體系、抗震機理等方面與現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等均有顯著區(qū)別。例如，傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的構(gòu)件均為榫卯連接，是最早的裝配式結(jié)構(gòu)；傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的抗震機理是以柔克剛，是一個集滑移隔震(柱底浮擱于柱礎(chǔ)之上)、耗能減震(半剛性榫卯連接、斗栱層)為一體的半剛性結(jié)構(gòu)體系。

研究我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的抗震性能和抗震分析方法，不僅對我國大量現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)木結(jié)構(gòu)的保護、傳承具有重要社會意義，也對新建傳統(tǒng)風格木結(jié)構(gòu)建筑有重要的工程應(yīng)用價值，還對民族智慧結(jié)晶——抗震思想的古為今用有重要參考價值。

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑分類

我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的核心在于承擔豎向荷載和水平荷載的木構(gòu)架。木構(gòu)架限定了結(jié)構(gòu)的空間形式、尺度大小及建筑形態(tài)等，是我國古建筑最本質(zhì)的本體部分。根據(jù)木構(gòu)架形式不同，我國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑大致可以分為三類：抬梁式建筑、穿斗式建筑及井干式建筑。

1、抬梁式建筑

抬梁式建筑木構(gòu)架是在建筑的臺基上立柱，在房屋前后檐相對的柱間架設(shè)橫向大梁，大梁上又重疊幾道依次縮短的小梁，梁下立矮柱(瓜柱或駝峰)，把小梁頂至所需高度，構(gòu)成一榀木構(gòu)架。在相鄰兩榀木構(gòu)架之間，用位于立柱上方的枋和各層梁頭及脊瓜柱上橫向的檁條相聯(lián)系[1]。檁條上又架縱向的椽，上面再鋪望板、苫背和瓦，從而形成房屋。整個屋頂?shù)闹亓烤褪峭ㄟ^這些椽、檁條、梁和枋，經(jīng)立柱傳到地面。抬梁式木結(jié)構(gòu)建筑的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。宮殿(圖2)、壇廟(圖3)、寺院(圖4)等大型建筑物常采用這種木結(jié)構(gòu)。

圖1 抬梁式木結(jié)構(gòu)建筑的主要結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 北京故宮

圖3 北京天壇

圖4 山西南禪寺大殿

2、穿斗式建筑

穿斗式建筑木構(gòu)架是在房屋的進深方向立柱，直通向上，柱上不用梁，將檁條直接放在柱頭上，柱與柱之間用穿枋橫穿柱而貫通相連，形成一組組的構(gòu)架，穿斗式建筑如圖5所示，穿枋出檐變?yōu)樘翳省?/p>

圖5 穿斗式建筑示意圖

穿斗式木結(jié)構(gòu)可以用較小的材料建造較大的房屋，而且其網(wǎng)狀構(gòu)造很牢固，但是柱、枋較多，室內(nèi)不能形成連通大空間，因此多用于民居。穿斗式建筑民居如圖6所示。

圖6 穿斗式建筑民居

3、井干式建筑

井干式建筑木構(gòu)架是一種不用立柱和大梁的房屋結(jié)構(gòu)，以圓形、矩形或六角形木料平行向上層層疊壘，木料端部在轉(zhuǎn)角處交叉咬合，形成壁架，形如古代井上的木圍欄，再于兩端壁架上立短柱承脊檁構(gòu)成房屋。井干式木結(jié)構(gòu)民居如圖7所示。

圖 7 井干式木結(jié)構(gòu)民居

這種結(jié)構(gòu)較為簡單，容易建造，但是耗費木材，僅在廣西、云南及東北等森林覆蓋率較高地區(qū)有所應(yīng)用。

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)按照其結(jié)構(gòu)功能大致可以分為殿堂、廳堂、余屋、亭榭等，其中殿堂式結(jié)構(gòu)不僅級別、形制最高，結(jié)構(gòu)也最為復(fù)雜[3]。我國現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑以殿堂式結(jié)構(gòu)為主，殿堂式結(jié)構(gòu)最能體現(xiàn)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的特色，其主體豎向從下而上依次可劃分為臺基層、柱架層、鋪作層(斗栱層)和屋蓋層四個部分。殿堂式傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)豎向分層如圖8所示。

圖8 殿堂式傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)豎向分層示意圖

1、臺基層

臺基層相當于現(xiàn)代房屋的基礎(chǔ)，是將上部傳來的荷載均布傳遞至地基的持力層，一般會高出地坪，這樣做有以下幾方面的原因：①從結(jié)構(gòu)角度保證人工地基有足夠厚度，形成一個均勻性、承載力較好的厚土層，減小原始地基缺陷的影響；②避免地面雨水侵入室內(nèi)，從而保證建筑室內(nèi)有一個較為干燥的環(huán)境，既滿足人們的居住和使用，也保護了臺基上的木構(gòu)架，使其不會因水的侵蝕而腐爛；③使古建筑外觀更加威嚴、高大雄偉，有無臺基層、臺基層高矮也是房屋主人身份地位的象征；④臺基還具有積極的美學(xué)意義，可以避免古建筑木結(jié)構(gòu)因大屋頂在視覺上產(chǎn)生頭重腳輕的失衡感。

臺基座于地基之上，上承柱架。在臺基之內(nèi)，按柱的位置用磚石砌磉墩，磉墩上放石柱礎(chǔ)，石柱礎(chǔ)上立柱。各磉墩之間砌成與其同高的欄土墻作條形基礎(chǔ)，欄土墻將臺基內(nèi)分為若干方格，提高了柱基的水平抗力；填土中摻入碎磚瓦、石灰、燒土碎塊等，分層夯實；四周用階條石、片石或磚層砌成臺幫，可為臺基提供良好的側(cè)限約束，保證了臺基的整體性。臺基層構(gòu)造如圖9所示。

圖9 臺基層構(gòu)造

臺基層構(gòu)造如圖10所示。

圖10 臺基層構(gòu)造

2、柱架層

柱頂設(shè)闌額、順栿串(又稱“搭頭木”)等縱橫聯(lián)系梁，通過榫卯連接構(gòu)成穩(wěn)固的柱架體系，支承上部荷重，形成使用空間。柱架內(nèi)外木柱高度基本相同，角柱生起使各檐柱的高度略有參差，三開間木構(gòu)架角柱生起尺寸如圖11所示。各檐柱之間僅靠一圈闌額和地栿聯(lián)系，檐柱與內(nèi)柱之間則靠少數(shù)內(nèi)額聯(lián)系。

圖11 三開間木構(gòu)架角柱生起尺寸

1寸=3.333cm

中國古建筑木結(jié)構(gòu)中采用的榫卯形式歷經(jīng)幾千年發(fā)展和更新，有數(shù)十種甚至上百種。這些種類和形狀的形成，不僅與榫卯的功能有直接關(guān)系，而且與其使用位置、連接方式、安裝組合形式等有直接關(guān)系。根據(jù)榫卯的功能和連接方式不同，木構(gòu)架之間主要采用直榫、燕尾榫和搭扣榫。

1) 直榫

直榫的榫頭是直的長方形，可以直接插到柱內(nèi)。直榫結(jié)構(gòu)如圖12所示，直榫根據(jù)榫頭尺寸差別，又可分為單向直榫[圖12(a)]、透榫[圖12(b)]和半透榫[圖12(c)]。

圖12 直榫結(jié)構(gòu)示意圖

2) 燕尾榫

燕尾榫又稱大頭榫、銀錠榫，其結(jié)構(gòu)如圖13所示。榫頭的形狀是端部寬，根部窄、上部大、下部小，呈大頭狀。燕尾榫用于水平構(gòu)件與垂直構(gòu)件的連接，如檐枋、額枋、隨梁枋、金枋、脊枋等水平構(gòu)件與柱頭相交的部位。

圖13 燕尾榫結(jié)構(gòu)示意圖

在所有榫卯結(jié)構(gòu)中，燕尾榫承受拉應(yīng)力時的接合強度最大。燕尾榫能在很大程度上限制榫寬及榫深方向的自由度，只允許長軸方向(榫厚)的自由移動，使得燕尾榫結(jié)構(gòu)具有較好的接合能力。

3) 搭扣榫

搭扣榫也稱扣榫。箍頭榫[圖14(a)]、十字卡腰榫[圖14(b)]、十字刻半透榫[圖14(c)]等用于縱橫向水平構(gòu)件搭接處的榫卯都屬于搭扣榫。

圖14 搭扣榫結(jié)構(gòu)示意圖

3、鋪作層

鋪作又稱斗栱，上承梁架，下端置于柱頭上，斗栱與柱頭以平擺浮擱相連。斗栱構(gòu)造復(fù)雜，形式多樣，是木結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的部分，由縱橫交叉、互相咬合、層層鋪疊的斗、栱、昂、枋等構(gòu)件組成，具有結(jié)構(gòu)和裝飾的雙重功能。根據(jù)斗栱位置的不同，一般可將其分為柱頭斗栱[圖15(a)]、柱間斗栱[圖15(b)]和轉(zhuǎn)角斗栱[圖15(c)]三種。根據(jù)斗栱構(gòu)造的不同又可將其分為殿堂式斗栱[圖16(a)]和叉柱造式斗栱[圖16(b)]，其中殿堂式斗栱居多，叉柱造式斗栱節(jié)點主要在多層塔式建筑中使用，如獨樂寺觀音閣(圖17)。

圖15 斗栱按位置分類

圖16 斗栱按構(gòu)造分類

圖17 獨樂寺觀音閣

各組斗栱間順脊方向通過挑檐枋、素枋、正心枋及栱眼壁(風栱板)支承固實，明栿扣搭聯(lián)系，從而形成剛度較大的斗栱層(圖18)。水平方向允許層間滑移、豎向可發(fā)生較大的彈塑性變形，起到隔震、減震的作用。

圖18 斗栱層

4、屋蓋層

大屋蓋是傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的一大特色，屋蓋在整個立面占據(jù)很大的比例，主要有硬山、懸山、歇山、廡殿、攢尖及卷棚6種類型，如圖19所示。其中，攢尖、歇山及廡殿類屋蓋又有單檐與重檐之分，如圖20所示。

圖19 傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)屋蓋主要形式

圖20 殿堂式建筑重檐屋蓋

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的震害特征

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)因其獨特的結(jié)構(gòu)特點，通常被認為是一個集柱底滑移隔震、榫卯節(jié)點耗能減震、斗栱節(jié)點耗能減震于一體的多重隔震、減震結(jié)構(gòu)，具有良好的抗震性能。古建筑木結(jié)構(gòu)這種良好的抗震性能更確切地說應(yīng)該是在較大地震作用下具有良好的抗倒塌性能，而其在中級地震作用下出現(xiàn)震害是常見現(xiàn)象，即古建筑木結(jié)構(gòu)在中、低級地震作用下屬于易損壞結(jié)構(gòu)。

1、柱腳震害

大量的震害資料顯示，木柱的柱腳滑移(圖21)是傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)特有的破壞形式。古建筑木結(jié)構(gòu)的柱腳浮擱于石柱礎(chǔ)上，通常為平擺浮擱，即柱直接放置在石柱礎(chǔ)上，沒有任何連接，使得上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)自然斷開，柱與柱礎(chǔ)的摩擦滑移模型如圖22所示。在一般水平荷載或小震作用下，結(jié)構(gòu)水平地震剪力不會超過各柱柱底所受摩擦力之和，結(jié)構(gòu)依然能夠保持穩(wěn)定，不會產(chǎn)生過大位移造成使用不便。當上部結(jié)構(gòu)的水平地震剪力超過柱腳與石柱礎(chǔ)間的最大摩擦力時，上部結(jié)構(gòu)將發(fā)生滑動，從而減小地震能量的輸入，類似于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的滑移隔震。

圖21 柱腳滑移

圖22 柱與柱礎(chǔ)摩擦滑移模型

xg石柱礎(chǔ)位移；x-柱相對于石柱礎(chǔ)的位移；m-上部質(zhì)量；μ-滑動摩擦系數(shù)；k-剛度系數(shù)；P-摩擦力

2、榫卯節(jié)點震害

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)中普遍采用的榫卯節(jié)點，僅燕尾榫和搭扣榫節(jié)點有一定程度的抗拉性能。直榫只有一定的抗彎、抗剪性能，而地震的水平力傳遞到木結(jié)構(gòu)上時，整個結(jié)構(gòu)的整體水平位移會使節(jié)點處承受很大的水平力。如果沒有足夠的抗拉性能，榫卯節(jié)點將會逐漸脫離，當拔榫量達到一定程度，節(jié)點不能繼續(xù)傳遞荷載，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)成為機構(gòu)而失效。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點處沒有外加可靠的連接來增強其抗拔能力，因此在地震作用時榫卯節(jié)點經(jīng)常出現(xiàn)拔榫破壞，如圖23所示。

圖23 榫卯節(jié)點拔榫破壞

3、墻體震害

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)中，主要以木構(gòu)架承重，土墻或者磚墻僅作為圍護結(jié)構(gòu)。由于木柱材性較柔，較土墻或者磚墻差異性太大，木構(gòu)架側(cè)向剛度小，地震時可以允許一定程度的變形，但是墻體自身側(cè)向剛度較大，允許的側(cè)向位移較小。地震作用時，墻體與木構(gòu)架的變形不一致，木構(gòu)架的水平位移會對墻體產(chǎn)生附加的力，造成墻體開裂[圖24(a)]、傾斜[圖24(b)]，甚至倒塌[圖24(c)～(d)]。

圖24 墻體各類破壞形式

4、屋蓋震害

屋頂溜瓦[圖25(a)]和飾物掉落[圖25(b)]是地震作用下傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)屋蓋發(fā)生最多的破壞形式，瓦和飾物與建筑的連接性較差，在地震的劇烈晃動下，很容易發(fā)生震壞、跌落，不過這種破壞經(jīng)過簡單的修繕即可恢復(fù)原狀，不影響結(jié)構(gòu)的安全性。屋脊一般不會發(fā)生破壞，當屋脊年久失修，在地震前已經(jīng)部分糟朽時，地震會加劇破壞，導(dǎo)致屋脊受損[圖25(c)]。此外，多根檁條折斷，極易造成整個屋蓋梁架嚴重損毀[圖25(d)]。