传统木结构抗震性能与分析

打印 0条评论来源：科学出版社作者：谢启芳，王龙

中国传统建筑是中华民族在历史长河中生存智慧、建造技艺和科学技术的结晶，蕴含着中华文明的基因，也是世界文明的重要见证，具有极高的历史、艺术和科学价值。传统木结构建筑是中国传统建筑中最主要的形式，沿构木成架的木结构体系发展，在艺术造型、结构构造及受力体系等方面都有独特风格，在世界建筑中形成独树一帜的建筑结构体系，影响了日本、韩国等国家的建筑结构。

我国传统木结构在营造方法、受力体系、抗震机理等方面与现代木结构、混凝土结构、钢结构等均有显著区别。例如，传统木结构的构件均为榫卯连接，是最早的装配式结构；传统木结构的抗震机理是以柔克刚，是一个集滑移隔震(柱底浮搁于柱础之上)、耗能减震(半刚性榫卯连接、斗栱层)为一体的半刚性结构体系。

研究我国传统木结构的抗震性能和抗震分析方法，不仅对我国大量现存传统木结构的保护、传承具有重要社会意义，也对新建传统风格木结构建筑有重要的工程应用价值，还对民族智慧结晶——抗震思想的古为今用有重要参考价值。

传统木结构建筑分类

我国传统木结构建筑的核心在于承担竖向荷载和水平荷载的木构架。木构架限定了结构的空间形式、尺度大小及建筑形态等，是我国古建筑最本质的本体部分。根据木构架形式不同，我国传统木结构建筑大致可以分为三类：抬梁式建筑、穿斗式建筑及井干式建筑。

1、抬梁式建筑

抬梁式建筑木构架是在建筑的台基上立柱，在房屋前后檐相对的柱间架设横向大梁，大梁上又重叠几道依次缩短的小梁，梁下立矮柱(瓜柱或驼峰)，把小梁顶至所需高度，构成一榀木构架。在相邻两榀木构架之间，用位于立柱上方的枋和各层梁头及脊瓜柱上横向的檩条相联系[1]。檩条上又架纵向的椽，上面再铺望板、苫背和瓦，从而形成房屋。整个屋顶的重量就是通过这些椽、檩条、梁和枋，经立柱传到地面。抬梁式木结构建筑的主要结构如图1所示。宫殿(图2)、坛庙(图3)、寺院(图4)等大型建筑物常采用这种木结构。

图1 抬梁式木结构建筑的主要结构示意图

图2 北京故宫

图3 北京天坛

图4 山西南禅寺大殿

2、穿斗式建筑

穿斗式建筑木构架是在房屋的进深方向立柱，直通向上，柱上不用梁，将檩条直接放在柱头上，柱与柱之间用穿枋横穿柱而贯通相连，形成一组组的构架，穿斗式建筑如图5所示，穿枋出檐变为挑枋。

图5 穿斗式建筑示意图

穿斗式木结构可以用较小的材料建造较大的房屋，而且其网状构造很牢固，但是柱、枋较多，室内不能形成连通大空间，因此多用于民居。穿斗式建筑民居如图6所示。

图6 穿斗式建筑民居

3、井干式建筑

井干式建筑木构架是一种不用立柱和大梁的房屋结构，以圆形、矩形或六角形木料平行向上层层叠垒，木料端部在转角处交叉咬合，形成壁架，形如古代井上的木围栏，再于两端壁架上立短柱承脊檩构成房屋。井干式木结构民居如图7所示。

图 7 井干式木结构民居

这种结构较为简单，容易建造，但是耗费木材，仅在广西、云南及东北等森林覆盖率较高地区有所应用。

传统木结构的结构特点

传统木结构按照其结构功能大致可以分为殿堂、厅堂、余屋、亭榭等，其中殿堂式结构不仅级别、形制最高，结构也最为复杂[3]。我国现存传统木结构建筑以殿堂式结构为主，殿堂式结构最能体现传统木结构的特色，其主体竖向从下而上依次可划分为台基层、柱架层、铺作层(斗栱层)和屋盖层四个部分。殿堂式传统木结构竖向分层如图8所示。

图8 殿堂式传统木结构竖向分层示意图

1、台基层

台基层相当于现代房屋的基础，是将上部传来的荷载均布传递至地基的持力层，一般会高出地坪，这样做有以下几方面的原因：①从结构角度保证人工地基有足够厚度，形成一个均匀性、承载力较好的厚土层，减小原始地基缺陷的影响；②避免地面雨水侵入室内，从而保证建筑室内有一个较为干燥的环境，既满足人们的居住和使用，也保护了台基上的木构架，使其不会因水的侵蚀而腐烂；③使古建筑外观更加威严、高大雄伟，有无台基层、台基层高矮也是房屋主人身份地位的象征；④台基还具有积极的美学意义，可以避免古建筑木结构因大屋顶在视觉上产生头重脚轻的失衡感。

台基座于地基之上，上承柱架。在台基之内，按柱的位置用砖石砌磉墩，磉墩上放石柱础，石柱础上立柱。各磉墩之间砌成与其同高的栏土墙作条形基础，栏土墙将台基内分为若干方格，提高了柱基的水平抗力；填土中掺入碎砖瓦、石灰、烧土碎块等，分层夯实；四周用阶条石、片石或砖层砌成台帮，可为台基提供良好的侧限约束，保证了台基的整体性。台基层构造如图9所示。

图9 台基层构造

台基层构造如图10所示。

图10 台基层构造

2、柱架层

柱顶设阑额、顺栿串(又称“搭头木”)等纵横联系梁，通过榫卯连接构成稳固的柱架体系，支承上部荷重，形成使用空间。柱架内外木柱高度基本相同，角柱生起使各檐柱的高度略有参差，三开间木构架角柱生起尺寸如图11所示。各檐柱之间仅靠一圈阑额和地栿联系，檐柱与内柱之间则靠少数内额联系。

图11 三开间木构架角柱生起尺寸

1寸=3.333cm

中国古建筑木结构中采用的榫卯形式历经几千年发展和更新，有数十种甚至上百种。这些种类和形状的形成，不仅与榫卯的功能有直接关系，而且与其使用位置、连接方式、安装组合形式等有直接关系。根据榫卯的功能和连接方式不同，木构架之间主要采用直榫、燕尾榫和搭扣榫。

1) 直榫

直榫的榫头是直的长方形，可以直接插到柱内。直榫结构如图12所示，直榫根据榫头尺寸差别，又可分为单向直榫[图12(a)]、透榫[图12(b)]和半透榫[图12(c)]。

图12 直榫结构示意图

2) 燕尾榫

燕尾榫又称大头榫、银锭榫，其结构如图13所示。榫头的形状是端部宽，根部窄、上部大、下部小，呈大头状。燕尾榫用于水平构件与垂直构件的连接，如檐枋、额枋、随梁枋、金枋、脊枋等水平构件与柱头相交的部位。

图13 燕尾榫结构示意图

在所有榫卯结构中，燕尾榫承受拉应力时的接合强度最大。燕尾榫能在很大程度上限制榫宽及榫深方向的自由度，只允许长轴方向(榫厚)的自由移动，使得燕尾榫结构具有较好的接合能力。

3) 搭扣榫

搭扣榫也称扣榫。箍头榫[图14(a)]、十字卡腰榫[图14(b)]、十字刻半透榫[图14(c)]等用于纵横向水平构件搭接处的榫卯都属于搭扣榫。

图14 搭扣榫结构示意图

3、铺作层

铺作又称斗栱，上承梁架，下端置于柱头上，斗栱与柱头以平摆浮搁相连。斗栱构造复杂，形式多样，是木结构中最复杂的部分，由纵横交叉、互相咬合、层层铺叠的斗、栱、昂、枋等构件组成，具有结构和装饰的双重功能。根据斗栱位置的不同，一般可将其分为柱头斗栱[图15(a)]、柱间斗栱[图15(b)]和转角斗栱[图15(c)]三种。根据斗栱构造的不同又可将其分为殿堂式斗栱[图16(a)]和叉柱造式斗栱[图16(b)]，其中殿堂式斗栱居多，叉柱造式斗栱节点主要在多层塔式建筑中使用，如独乐寺观音阁(图17)。

图15 斗栱按位置分类

图16 斗栱按构造分类

图17 独乐寺观音阁

各组斗栱间顺脊方向通过挑檐枋、素枋、正心枋及栱眼壁(风栱板)支承固实，明栿扣搭联系，从而形成刚度较大的斗栱层(图18)。水平方向允许层间滑移、竖向可发生较大的弹塑性变形，起到隔震、减震的作用。

图18 斗栱层

4、屋盖层

大屋盖是传统木结构的一大特色，屋盖在整个立面占据很大的比例，主要有硬山、悬山、歇山、庑殿、攒尖及卷棚6种类型，如图19所示。其中，攒尖、歇山及庑殿类屋盖又有单檐与重檐之分，如图20所示。

图19 传统木结构屋盖主要形式

图20 殿堂式建筑重檐屋盖

传统木结构的震害特征

传统木结构因其独特的结构特点，通常被认为是一个集柱底滑移隔震、榫卯节点耗能减震、斗栱节点耗能减震于一体的多重隔震、减震结构，具有良好的抗震性能。古建筑木结构这种良好的抗震性能更确切地说应该是在较大地震作用下具有良好的抗倒塌性能，而其在中级地震作用下出现震害是常见现象，即古建筑木结构在中、低级地震作用下属于易损坏结构。

1、柱脚震害

大量的震害资料显示，木柱的柱脚滑移(图21)是传统木结构特有的破坏形式。古建筑木结构的柱脚浮搁于石柱础上，通常为平摆浮搁，即柱直接放置在石柱础上，没有任何连接，使得上部结构与基础自然断开，柱与柱础的摩擦滑移模型如图22所示。在一般水平荷载或小震作用下，结构水平地震剪力不会超过各柱柱底所受摩擦力之和，结构依然能够保持稳定，不会产生过大位移造成使用不便。当上部结构的水平地震剪力超过柱脚与石柱础间的最大摩擦力时，上部结构将发生滑动，从而减小地震能量的输入，类似于现代结构基础的滑移隔震。

图21 柱脚滑移

图22 柱与柱础摩擦滑移模型

xg石柱础位移；x-柱相对于石柱础的位移；m-上部质量；μ-滑动摩擦系数；k-刚度系数；P-摩擦力

2、榫卯节点震害

传统木结构中普遍采用的榫卯节点，仅燕尾榫和搭扣榫节点有一定程度的抗拉性能。直榫只有一定的抗弯、抗剪性能，而地震的水平力传递到木结构上时，整个结构的整体水平位移会使节点处承受很大的水平力。如果没有足够的抗拉性能，榫卯节点将会逐渐脱离，当拔榫量达到一定程度，节点不能继续传递荷载，导致结构成为机构而失效。传统木结构榫卯节点处没有外加可靠的连接来增强其抗拔能力，因此在地震作用时榫卯节点经常出现拔榫破坏，如图23所示。

图23 榫卯节点拔榫破坏

3、墙体震害

传统木结构中，主要以木构架承重，土墙或者砖墙仅作为围护结构。由于木柱材性较柔，较土墙或者砖墙差异性太大，木构架侧向刚度小，地震时可以允许一定程度的变形，但是墙体自身侧向刚度较大，允许的侧向位移较小。地震作用时，墙体与木构架的变形不一致，木构架的水平位移会对墙体产生附加的力，造成墙体开裂[图24(a)]、倾斜[图24(b)]，甚至倒塌[图24(c)～(d)]。

图24 墙体各类破坏形式

4、屋盖震害

屋顶溜瓦[图25(a)]和饰物掉落[图25(b)]是地震作用下传统木结构屋盖发生最多的破坏形式，瓦和饰物与建筑的连接性较差，在地震的剧烈晃动下，很容易发生震坏、跌落，不过这种破坏经过简单的修缮即可恢复原状，不影响结构的安全性。屋脊一般不会发生破坏，当屋脊年久失修，在地震前已经部分糟朽时，地震会加剧破坏，导致屋脊受损[图25(c)]。此外，多根檩条折断，极易造成整个屋盖梁架严重损毁[图25(d)]。