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1、第39卷第5期 2013年10月 四川建筑科學(xué)研究 Sichuan Building Science 7 古建木結(jié)構(gòu)受力性能探討 秦嶺，熊 軍，鄭 煒 (北京市房地產(chǎn)科學(xué)技術(shù)研究所，北京100021) 摘 要：對(duì)古建木結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的特性和受力特性進(jìn)行了理論研究，結(jié)果表明古建木結(jié)構(gòu)結(jié)合屋面自重大的特點(diǎn)，使其 柱、枋、梁三類件剛?cè)嵯酀?jì)地承載、抗風(fēng)協(xié)同工作，對(duì)地震有著更好的隔震效果。分析結(jié)果可為檢測(cè)、鑒定時(shí)確定重 點(diǎn)檢查的部位提供理論基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：古建木結(jié)構(gòu)；承重特性；抗風(fēng)特性；抗震特性 中圖分類號(hào)：TU3662 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：10081933(2013)0500704 The resea

2、rch on load-bearing mechanics of historic timber building QIN Ling，XIONG Jun，ZHENG Wei (Bering Real Estate ScienceTechnology Institute，Beijing 100021，China) Abstract：The historic timber buildings structure and load bearing mechanics were analyzed，it is shown that historic timber buildings with heavy

3、 roof make columns beams and fangs work well together to resistance load、wind and earthquakeIt may provide theoretical base for the important inspective position of inspection and identification Key words：historic timber buildings；load bearing characteristics；wind resistance characteristics；aseismat

4、ic characteristics 0 引 言 近年來(lái)常會(huì)遇到一些古建結(jié)構(gòu)的檢測(cè)、鑒定，這 些古建絕大多數(shù)為木制結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷上百年的風(fēng)雨、地 震仍屹立不倒。由于木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式與受力特性 與現(xiàn)今常用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等有明顯差 異，因此也對(duì)我們的檢測(cè)、鑒定工作提出了新的要 求。下面試通過(guò)力學(xué)分析的方法，對(duì)古建木結(jié)構(gòu)的 結(jié)構(gòu)特性和受力特點(diǎn)進(jìn)行論述，從而確定出檢測(cè)的 主要內(nèi)容和重點(diǎn)部位。 1 古建木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性 古建房屋的構(gòu)成一般分三部分，即臺(tái)基、屋身與 屋頂。臺(tái)基多為夯土和碎石筑打而成、屋身為直立 的木柱、屋頂為桿件組成的木構(gòu)架，且自重較大。 木柱的根部底端多為一石制柱礎(chǔ)，在柱礎(chǔ)正中 鑿

5、一卯孔，木柱底部做出一凸榫，安裝時(shí)使凸榫插入 卯孔。這種做法和現(xiàn)在常用的混凝土柱底甩筋錨人 基礎(chǔ)，或鋼柱底部周邊采用地腳螺栓錨人基礎(chǔ)的做 法相似。木柱底部為鉸接，凸榫可承受剪力，此剪力 最大值可由X G(“為摩擦系數(shù)，G為豎向荷載)求 收稿日期：2012-03-26 作者簡(jiǎn)介：秦嶺(1976一)，男，碩士，主要從事房屋的檢測(cè)和鑒定 工作。 Email：xiongjunl210sohucom 得。 木柱的柱頂一般存在雙向多層水平桿件的相互 交搭。以四排柱布局的硬山明間的檐柱與金柱來(lái) 說(shuō)：檐柱頂在縱橫雙向有檐檁、抱頭梁與柱三向交搭 (檐檁位在抱頭梁之上)；金柱頂在縱橫雙向有金 檁，柁梁與柱三向交搓

6、(檁在柁之上)。就受力而 言，梁檁直壓柱頂，上柱再壓梁，梁多為直接擱置于 柱頂，梁柱間為鉸接，可傳遞豎向力，水平剪力可借 助磨擦產(chǎn)生，而彎矩則在柱頂不變彎情況下無(wú)法出 現(xiàn)。 木柱頂端的下層，在梁下有隨梁枋，在金檁、檐 檁之下有金枋、檐枋。枋件與柱的連接多采用燕尾 榫。燕尾榫的構(gòu)造特點(diǎn)是榫呈楔形，安裝時(shí)由頂落 入卯槽就位，對(duì)柱頭可拉可推，能傳遞一定的水平力 及彎矩，對(duì)柱的傾倒有約束作用。枋件與柱間類似 滑動(dòng)支座連接，可沿接觸面滑動(dòng)，但不能轉(zhuǎn)動(dòng)。 燕尾榫在枋件與柱連接節(jié)點(diǎn)中發(fā)揮著重要作 用。 圖l所示為枋件與柱的連接做法，從圖中可看 出節(jié)點(diǎn)受力時(shí)有以下特點(diǎn)： 1)當(dāng)枋件受拉時(shí)，對(duì)枋件的最不利受力面

7、將發(fā) 生在EFF E。面上，該截面面積最小，當(dāng)拉應(yīng)力值超 過(guò)該截面的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，將出現(xiàn)斷裂破壞。對(duì) 立柱而言其不利的受力面是當(dāng)拉力通過(guò)摩擦剪切作 用可能引發(fā)起始于榫前角A、B點(diǎn)處立柱木纖維拉 8 四川建筑科學(xué)研究 第39卷 圖1 枋件與柱的連接做法示意 Fig1 Fang piece and the connecting column of practice 裂劈開(kāi)縫AH及BC，并沿該線上下擴(kuò)展一定長(zhǎng)度到 日、H1。 2)當(dāng)枋件受壓時(shí)，由于榫端面與卯口內(nèi)壁做不 到密合，故枋件對(duì)柱的壓力將通過(guò)卯口外的FGG，F(xiàn)。 及DEE，D，面上枋端與柱面的接觸擠壓進(jìn)行傳遞。 3)當(dāng)枋件端受彎時(shí)，枋件受彎

8、截面中和軸上下 截面的應(yīng)力相反，一側(cè)(上或下)受壓則另側(cè)(下或 上)受拉，截面上最大應(yīng)力產(chǎn)生在截面的上、下邊緣 處。此時(shí)枋件端燕尾榫的受力情況是在受拉的上 (或下)面兩側(cè)邊緣處榫側(cè)面與柱卯口側(cè)面頂緊擠 實(shí)到用摩擦剪力傳遞拉力，而其承壓的下(或上)面 兩側(cè)的壓力傳遞由榫根外的枋的兩側(cè)余留面 (FGG F 及DEE D )的下(或上)邊緣擠壓柱表面 來(lái)提供。 設(shè)枋件受力時(shí)，其承擔(dān)的彎矩是使頂面受拉，假 設(shè)受拉區(qū)高度為K H，則在圖1的DGG 13 面上 的應(yīng)力分布如圖2所示，圖內(nèi)于截面高度的中部大 片應(yīng)力為零。 D 圖2枋件端部應(yīng)力分布不霖 Fig2 Fang end of stress dist

9、ribution 針對(duì)圖2的應(yīng)力分布，對(duì)枋件端(榫根)截面的 受力可近似取上部拉力總和F 為： F上=Kj=Hb xl, (1) 式中K H為枋件截面受拉區(qū)高度。 下部壓力總和F卞為： F下=KTH(B一6) (2) 式中KTH為枋件截面受壓區(qū)高度。 由受力平衡可得： F =F下 (3) 榫根允許承擔(dān)的彎矩 為： Mf=K Hb H(1-05K一05 ) (4) 式中 為木材順紋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值； 為木材順 紋抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。 4)從燕尾榫的構(gòu)造特點(diǎn)可知，榫上(或下)緣頂 緊卯口側(cè)是需要出現(xiàn)變形來(lái)產(chǎn)生的。其次是枋件下 (或上)緣頂緊柱表面也將產(chǎn)生相應(yīng)的變形。以上 變形的結(jié)果會(huì)造成枋件軸線相對(duì)于柱

10、軸線出現(xiàn)轉(zhuǎn) 動(dòng)，即柱身出現(xiàn)一定程度的歪斜。對(duì)實(shí)際的古建木 結(jié)構(gòu)，構(gòu)架的梁件(柁梁、檁)是簡(jiǎn)支浮放在柱頭頂 面，而柱底也是浮放在柱礎(chǔ)石頂面之上?？紤]到木 構(gòu)架在受水平外載作用后，柱頂出現(xiàn)側(cè)移時(shí)會(huì)伴隨 出現(xiàn)柱頂面及柱底面的傾斜，形成柱頂面一角降下， 另角升起(圖3)。這將導(dǎo)致柱頂簡(jiǎn)支梁件對(duì)豎重的 向下傳遞由原先的在柱中心下傳改為由柱頂升起的 角邊下傳。同時(shí)，側(cè)傾了的柱下端其對(duì)豎載的向下 傳遞也由原先從中心下傳改為由柱底面斜下角下 傳。這種因柱頂?shù)酌嬗善阶冃币l(fā)的豎載在柱頂面 及底面上的移位傳遞，對(duì)柱而言起著迫使柱減輕側(cè) 傾的趨勢(shì)，是一項(xiàng)對(duì)柱頂作用的約束力矩。枋件對(duì) 木柱的約束作用只在木柱發(fā)生一定程

11、度的歪斜(位 移)后才發(fā)生，因此可將枋件的約束作用看作安全 儲(chǔ)備，當(dāng)柱頂豎向力作用不能抵抗水平荷載所產(chǎn)生 的彎矩時(shí)，枋件將產(chǎn)生約束作用，抵制柱的進(jìn)一步歪 斜(位移)。 2古建木結(jié)構(gòu)的受力特性 就古建木結(jié)構(gòu)的受力方向來(lái)說(shuō)，其主要承受豎 向荷載和水平荷載。就豎向荷載而言，望板承擔(dān)屋 面瓦、泥灰以及其上活載后，將其傳給椽條，椽條又 將荷載傳給檁條，檁條接受荷載后，將其傳給柁梁， 再由柁梁最終傳柱。在豎載作用下，椽、檁、柁梁的 受力為受彎構(gòu)件；柱屬于軸壓或偏心受壓構(gòu)件。 古建木結(jié)構(gòu)筑除了承擔(dān)豎向荷載之外，也須考 慮水平荷載，既風(fēng)載和地震作用。風(fēng)載作用于墻面 及屋頂坡面，而后傳給柱或墻，最后作用給基礎(chǔ)。

12、而 地震作用則是從地面瞬間產(chǎn)生位移起始而出現(xiàn)的， 先作用于基礎(chǔ)，而后傳給柱、梁，這就使瞬間的地面 位移量通過(guò)墻、柱的層間剪力向上傳遞，使上層也出 現(xiàn)瞬間位移并伴隨有放大效應(yīng)。 計(jì)算簡(jiǎn)圖的建立，古建木結(jié)構(gòu)的梁件是簡(jiǎn)支浮 放在柱頂面，而柱底也是浮放在礎(chǔ)石頂面之上，柱頂 枋件以燕尾榫作法與柱連接。柱底與柱基鉸接處為 不動(dòng)鉸支座連接，柱頂與梁件為鉸連接，柱頂與枋件 為滑動(dòng)鉸支座連接。當(dāng)柱出現(xiàn)一定程度歪斜后，枋 件可以承擔(dān)作用給柱的力矩來(lái)約束柱的連續(xù)傾倒變 形。此項(xiàng)約束力矩是同時(shí)出現(xiàn)在枋件兩端，且兩端 約束柱身轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同。該約束力矩 t傳給柱 2O13N0J 5 秦嶺，等：古建木結(jié)構(gòu)受力性能探討 9

13、 后，將與柱底相應(yīng)承擔(dān)的剪力 所引發(fā)的柱頂彎矩 = H，相互平衡。對(duì)此可列式如下： = H。=Mf (5) 式中 對(duì)應(yīng) 可允許的柱底剪力； 日，由柱底到枋件中心的高度； 尬枋件端榫可承擔(dān)的力矩。 1)當(dāng)柱傾斜較小時(shí)，柱頂豎向荷載由原先的 在柱中心下傳改為由柱頂升起的角邊下傳。同時(shí)， 側(cè)傾了的柱下端其對(duì)豎載的向下傳遞也由原先從中 心下傳改為由柱底面斜下角(此角與柱頂?shù)纳鸾?為斜對(duì))下傳，如圖3所示。 圖3柱受力計(jì)算簡(jiǎn)圖 Fig3 Calculation of bearing column 這種因柱頂?shù)酌嬗善阶冃币l(fā)的豎載在柱頂面 及底面上的移位傳遞，對(duì)柱而言起著減輕側(cè)傾的趨 勢(shì)，是一項(xiàng)對(duì)柱的約

14、束力矩 ，在傾角較小時(shí)可有 下式： 、 MN=NKXB (6) 式中 柱件傳下的豎載力； B柱頂面寬； 出現(xiàn) 時(shí)柱頂?shù)姿鶄髫Q力線平行中 距與B的比值，此值可由試驗(yàn)確定。 2)當(dāng)柱傾角較大時(shí)，柱頂豎向荷載將產(chǎn)生導(dǎo) 致柱傾倒的傾覆力矩NS，此力矩應(yīng)由枋件所產(chǎn)生 的約束力矩 來(lái)平衡。由此可見(jiàn)，柱頭在承受水平 外載出現(xiàn)傾斜之初，首先出現(xiàn)柱頂豎向荷載所產(chǎn)生 的約束力矩 ，此時(shí)枋件并不發(fā)揮作用，平衡方程 可表達(dá)為： M =MN (7) 隨著水平荷載的增大，柱傾斜的增加，約束力矩 將轉(zhuǎn)換為傾覆力矩，此時(shí)枋件所產(chǎn)生的約束力矩 尬開(kāi)始發(fā)揮作用，平衡方程可表達(dá)為： N+M =K X N X S+ Hi=Mf (8

15、) 這反映出一個(gè)現(xiàn)象，即當(dāng)柱頂豎向荷載較 大，柱的截面尺寸又較寬(即日較大)時(shí)， 將顯著 為大，此時(shí)的柱身只是將要出現(xiàn)側(cè)傾趨勢(shì)，單有 即可達(dá)到柱的受力平衡。古建木結(jié)構(gòu)一般均采用厚 重的屋蓋，厚重屋蓋固然可增加地震時(shí)的慣性力，但 另一方面也提高了屋蓋的剛度，約束了下部柱架結(jié) 構(gòu)，從而加強(qiáng)了房屋構(gòu)架的整體性及穩(wěn)定性。 3)古建木結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)估算 借文獻(xiàn)5對(duì)應(yīng)縣千年木塔的有關(guān)數(shù)據(jù)、尺寸 對(duì)l 作如下粗略估算。 木塔上部總重(不計(jì)底層墻體重時(shí))為29400 kN，塔身計(jì)算高度取為48 m，塔身為八角形，近似取 受風(fēng)面的直徑為25 m，塔體共9層，底層柱凈高取 用52 m，柱寬取521l=048 m。設(shè)塔

16、底的柱根 數(shù)為 ，則單柱承擔(dān)的下傳豎載力N=29400 kNn， 按公式(6)計(jì)算肘 并取K=085，則 MN=O85(29400n)048=(12000n)kN腳 據(jù)文獻(xiàn)11計(jì)算塔體受風(fēng)時(shí)的底層總剪力 為： V=14105 X 142 X08 X 08 X55 X4825 =88172 kg 此總剪力對(duì)底層柱頂產(chǎn)生的總彎矩=88172 X 52=4585 t1TI。 平衡此彎矩所需全效能服務(wù)的柱根數(shù)=4585 12000n=382 。 上式計(jì)算充分說(shuō)明 的影響是相當(dāng)可觀，不 需全部柱參予，僅有總數(shù)382的全效柱即可在塔 體不出現(xiàn)明顯的“起步變形”條件下(即枋件端榫全 然不工作)，單由柱頂?shù)讉?/p>

17、力移位的效應(yīng)力矩即可 與塔體受風(fēng)的設(shè)計(jì)值取得平衡。 對(duì)僅受風(fēng)荷載的情況，由 =NKB可 得出： V(KB) (9) 4)古建木結(jié)構(gòu)的抗震估算 根據(jù)底部剪力法，對(duì)單層木結(jié)構(gòu)房屋，底部地震 剪力FE = G，在多遇地震下，地震剪力較小，柱 有傾斜趨勢(shì)，此時(shí)傾覆力矩為M =F H=OtG H。 約束力矩為MN=GKB=GKB。 MEK N，即OlG X日G X KB，OtKBH， 假設(shè)柱高H=4 113，柱截面寬度B=03 m，K=08， 則可由上式計(jì)算出 O06，6度抗震設(shè)防設(shè)計(jì)時(shí)， 多遇地震水平地震影響系數(shù)最大值為O04，故對(duì)不 大于6度時(shí)的地震，枋件不發(fā)揮作用，依靠柱頂豎向 力所產(chǎn)生的約束力矩

18、就足以滿足抗震要求。 對(duì)多層木結(jié)構(gòu)房屋，底部地震剪力F = 085G，則有 X085G X日G X K X B，假設(shè)柱高 =4 m，柱截面寬度B=03 m，K=08，則可計(jì)算出 10 四川建筑科學(xué)研究 第39卷 O07，這一值已很接近7度抗震設(shè)防設(shè)計(jì)時(shí)多遇 地震水平地震影響系數(shù)最大值008。故對(duì)多層木 結(jié)構(gòu)房屋，接近7度時(shí)的地震，依靠柱頂豎向力 所產(chǎn)生的約束力矩就足以滿足抗震要求。 對(duì)7度及以上地震， EK+ N 。 假設(shè)柱所受軸向力為，則有： vH+ KB ，上XHXb HX(105K_e一05 r下)， 可得出： r上H X b X H(105K一 05 )(OtH+KXB) (1O) 由

19、(9)、(10)兩式可得出J7，的范圍，由此可進(jìn)一 步確定出屋蓋重量范圍。 3對(duì)古建木結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)、鑒定時(shí)的 建議 古建木結(jié)構(gòu)的構(gòu)成都具有柱、梁、枋三類，梁直 壓柱頂，上柱再壓梁上，梁下必有枋，枋與柱以燕尾 榫相連，再加上自重較大的屋蓋，構(gòu)成了剛?cè)嵯酀?jì)的 結(jié)構(gòu)體系。檢測(cè)鑒定時(shí)應(yīng)針對(duì)上述特點(diǎn)進(jìn)行有針對(duì) 性的檢查。 1)大重量、大剛度的屋頂為木構(gòu)件之間的連接 提供足夠的摩擦力和阻尼，加強(qiáng)了梁柱結(jié)構(gòu)之間的 整體性和穩(wěn)定性；同時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的重量也是維持結(jié) 構(gòu)底部抗滑移能力的必不可少的條件。檢測(cè)時(shí)，若 發(fā)現(xiàn)屋蓋有損壞現(xiàn)象，應(yīng)原樣修復(fù)，不要隨意減輕屋 蓋重量。 2)古建木構(gòu)架由柱、梁件、枋件三類構(gòu)件構(gòu)成，

20、 梁件與枋件上下平行配置，但二者有著明確的分工。 梁件承擔(dān)其上豎載的向下傳遞(其對(duì)水平外力的抵 抗參予則與傳載大小、柱寬尺寸有關(guān))。而枋件僅 在必要情況下即柱出現(xiàn)一定程度的側(cè)傾之后， 才開(kāi)始發(fā)揮作用。 3)依構(gòu)件受力重要性來(lái)說(shuō)，在單層古建中，梁 件承受豎重后，形成跨中截面彎矩值最大，但實(shí)際工 程中一般因截面選用較大，梁件多不存在薄弱環(huán)節(jié)。 但仿件相比則不同，因其在抵抗側(cè)向水平力情況下 支座截面所受彎矩最大，同時(shí)還有剪切力存在，而相 應(yīng)枋件端頭燕尾榫根部因截面削弱過(guò)多，故形成為 明顯的薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)柱則因其頂端所受彎矩為最 大，且柱頂存在多個(gè)卯口，形成截面明顯的缺失，而 燕尾榫的受力又會(huì)形成柱頂?shù)?/p>

21、劈裂應(yīng)力，故該處也 存在薄弱環(huán)節(jié)。這些薄弱環(huán)節(jié)也是檢測(cè)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)檢 查的部位。 4)由于柱的頂?shù)酌媾c相鄰構(gòu)件都是浮擱簡(jiǎn)支 狀態(tài)，而柱的高寬比相對(duì)較大，這在梁端負(fù)重較大 時(shí)，是存在有對(duì)柱作用的約束力矩(即柱頂?shù)讉髁?移位的效應(yīng)力矩) ，此約束力矩對(duì)單層結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō) 其效應(yīng)多不顯著，但對(duì)多層的塔體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，則是十 分重要的抗側(cè)力因素。 5)古建木結(jié)構(gòu)對(duì)地震的反應(yīng)與當(dāng)今常規(guī)結(jié)構(gòu) 的反應(yīng)大有差異，它在枋端榫出現(xiàn)變形之前，即枋件 不對(duì)柱的側(cè)傾提供約束力矩的情況下，柱的工況是 上下為鉸接0這樣，地震出現(xiàn)瞬間反復(fù)的地面位移 對(duì)柱就形成不了有效的層間剪力，各層柱皆無(wú)剪力， 而地震對(duì)結(jié)構(gòu)造成的僅是接觸地面的底層柱的搖

22、晃 擺動(dòng)。此效應(yīng)和當(dāng)今建筑要達(dá)到的隔震作用十分相 似。 6)應(yīng)開(kāi)展一些必要的科學(xué)試驗(yàn)研究，對(duì)本文中 、 等值進(jìn)行測(cè)試，以增強(qiáng)古建木結(jié)構(gòu)鑒定的 科學(xué)性。 參考文獻(xiàn)： 1 馬炳堅(jiān)中國(guó)古建筑木作營(yíng)造技術(shù)M北京：北京科學(xué)出版 社，1991 2趙均海中國(guó)古代木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性研究D西安：西安交 通大學(xué)，1998 3 薛建陽(yáng)中國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究J土木 工程學(xué)報(bào)，2004，37(4) 4 葛鴻鵬中國(guó)古代木結(jié)構(gòu)建筑榫卯加固抗震試驗(yàn)研究【M北 京：北京科學(xué)出版社，2004 5李鐵英應(yīng)縣木塔現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)J土木工程學(xué)報(bào)，2005，38 (2) 6姚侃古建木構(gòu)架的整體穩(wěn)定性分析J世界地震工程， 2008，24(1)