古建木结构受力性能探讨.pdf

第 3 9卷第 5期 2 0 1 3年 1 0月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 7 古建木结构受力性能探讨 秦岭 ， 熊 军， 郑 炜 北京市房地产科学技术研究所 ， 北京1 0 0 0 2 1 摘 要 对古建木结构结构的特性和受力特性进行了理论研究， 结果表明古建木结构结合屋面自重大的特点， 使其 柱、 枋、 梁三类件刚柔相济地承载 、 抗风协同工作， 对地震有着更好的隔震效果。分析结果可为检测、 鉴定时确定重 点检查的部位提供理论基础。 关键词 古建木结构 ； 承重特性； 抗风特性； 抗震特性 中图分类号 T U 3 6 6 ． 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 3 0 5 0 0 7 0 4 Th e r e s e a r c h o n l o a d- b e a r i n g me c h a n i c s o f h i s t o r i c t i mb e r b u i l d i n g Q I N L i n g ， X I O N G J u n ， Z H E N G We i B e r i n g R e a l E s t a t e S c i e n c e＆T e c h n o l o g y I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e h i s t o ri c t i mb e r b u i l d i n g s s t r u c t u r e a n d l o a d b e a r i n g me c h a n i c s w e r e a n a l y z e d， i t i s s h o w n t h a t h i s t o ri c t i mb e r b u i l d i n g s wi t h h e a v y r o o f ma k e c o l u mn s b e a ms a n d f a n g s wo r k we l l t o g e t h e r t o res i s t a n c e l o a d 、 w i n d a n d e a r t h q u a k e ．I t ma y p r o v i d e t h e o r e t i c al b a s e f o r t h e i mp o r t ant i n s p e c t i v e p o s i t i o n o f i n s p e c t i o n and i d e n t i fi c a t i o n ． Ke y wo r d s h i s t o ri c t i mb e r b u i l d i n g s ； l o a d be a ri n g c h a r a c t e ri s t i c s ； win d r e s i s t a n c e c h a r a c t e ri s t i c s ； a s e i s ma t i c c h a r a c t e ris t i c s 0 引 言 近年来常会遇到一些古建结构的检测、 鉴定， 这 些古建绝大多数为木制结构 ， 经历上百年的风雨、 地 震仍屹立不倒 。由于木结构的结构形式与受力特性 与现今常用的钢筋混凝 土结构 、 钢结构等有明显差 异 ， 因此也对我们 的检测 、 鉴 定工作 提出 了新 的要 求。下面试通过力学分析的方法 ， 对古建木结构 的 结构特性和受力特点进行论述 ， 从而确定 出检测的 主要内容和重点部位。 1 古建木结构的结构特性 古建房屋的构成一般分三部分 ， 即台基 、 屋身与 屋顶。台基多为夯 土和碎石筑打而成 、 屋身为直立 的木柱、 屋顶为杆件组成的木构架 ， 且 自重较大。 木柱的根部底端多为一石制柱础， 在柱础正中 凿一卯孔 ， 木柱底部做 出一凸榫 ， 安装时使 凸榫插入 卯孔。这种做法和现在常用的混凝土柱底甩筋锚人 基础 ， 或钢柱底部周边采用地脚螺栓锚人基础的做 法相似。木柱底部为铰接， 凸榫可承受剪力， 此剪力 最大值可 由 ⅡX G “为摩擦 系数 ， G为竖 向荷载 求 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 3 - 2 6 作者简 介 秦岭 1 9 7 6一 ， 男 ， 硕士 ， 主要从 事房 屋 的检测 和鉴定 工作。 Ema i l x i o n g j u n l 2 1 0 s o h u ． c o m 得 。 ． 木柱的柱顶一般存在双向多层水平杆件的相互 交搭。以四排柱布局的硬山明间的檐柱与金柱来 说 檐柱顶在纵横双向有檐檩、 抱头梁与柱三向交搭 檐檩位在抱头梁 之上 ； 金 柱顶 在纵横 双 向有 金 檩， 柁梁与柱三向交搓 檩在柁之上 。就受力而 言， 梁檩直压柱顶， 上柱再压梁， 梁多为直接搁置于 柱顶， 梁柱间为铰接， 可传递竖向力， 水平剪力可借 助磨擦产生， 而弯矩则在柱顶不变弯情况下无法出 现 。 木柱顶端的下层， 在梁下有随梁枋， 在金檩、 檐 檩之下有金枋、 檐枋。枋件与柱的连接多采用燕尾 榫。燕尾榫的构造特点是榫呈楔形 ， 安装时 由顶落 入卯槽就位 ， 对柱头可拉可推 ， 能传递一定 的水平力 及弯矩， 对柱的倾倒有约束作用。枋件与柱间类似 滑动支座连接 ， 可沿接触面滑动 ， 但不能转动 。 燕尾榫在枋件与柱连接节点中发挥着重要作 用。 图 l 所示为枋件与柱的连接做法， 从图中可看 出节点受力时有以下特点 1 当枋件受拉时， 对枋件的最不利受力面将发 生在 E F F E 。 面上， 该截面面积最小， 当拉应力值超 过该截面的极限抗拉强度时， 将出现断裂破坏。对 立柱而言其不利的受力面是当拉力通过摩擦剪切作 用可能引发起始于榫前角 A、 B点处立柱木纤维拉 8 四川建筑科学研究 第 3 9卷 图 1 枋件与柱的连接做法示意 Fi g ． 1 F a n g p i e c e a n d t h e c o n n e c t i n g c o l u m n o f p r a c t i c e 裂劈开缝 AH及 B C， 并沿该线上下扩展一定长度到 日、 H1 。 2 当枋件受压时 ， 由于榫端 面与卯 口内壁做不 到密合， 故枋件对柱的压力将通过卯口外的F G G ， F 。 及 D E E ， D ， 面上枋端与柱面的接触挤压进行传递。 3 当枋件端受弯时， 枋件受弯截面中和轴上下 截面的应力相反 ， 一侧 上或下 受压则另侧 下 或 上 受拉 ， 截面上最大应力产生在截面 的上、 下边缘 处。此时枋 件端燕尾榫 的受力 情况是在受拉 的上 或下 面两侧边缘处榫侧面与柱卯口侧面顶紧挤 实到用摩擦剪力传递拉力， 而其承压的下 或上 面 两侧 的压力传递 由榫根外 的枋 的两侧余 留面 F G G F 及 D E E D 的下 或上 边缘挤压柱表面 来提供 。 设枋件受力时 ， 其承担的弯矩是使顶面受拉 ， 假 设受拉区高度为K H， 则在图 1的 D G G 13 面上 的应力分布如图2所示 ， 图内于截面高度的中部大 片应力为零 。 D 图 2枋 件端 部应 力分 布不霖 Fi g ． 2 F a n g e n d o f s t r e s s d i s t r i b u ti o n 针对图2的应力分布， 对枋件端 榫根 截面的 受力可近似取上部拉力总和F 为 F上 Kj H b x l , 1 式中K H为枋件截面受拉区高度。 下部压力总和 F 卞为 F 下K T H B一 6 2 式中K T H为枋件截面受压区高度。 由受力平衡可得 F F 下 3 榫根允许承担的弯矩 为 Mf K Hb H 1- 0 ． 5 K 一 0 ． 5 4 式 中 为木材顺纹抗拉强度设计值 ； ． 为木材顺 纹抗压强度设计值 。 4 从燕尾榫的构造特点可知 ， 榫上 或下 缘顶 紧卯 口侧是需要 出现变形来产生的。其次是枋件下 或上 缘顶紧柱表面也将产生相应 的变形。以上 变形的结果会造成枋件轴线相对于柱轴线出现转 动 ， 即柱身出现一定程度的歪斜。对实际的古建木 结构， 构架的梁件 柁梁、 檩 是简支浮放在柱头顶 面 ， 而柱底也是浮放在柱础石顶 面之上 。考虑到木 构架在受水平外载作用后， 柱顶出现侧移时会伴随 出现柱顶面及柱底面的倾斜 ， 形成柱顶面一角降下 ， 另角升起 图 3 。这将导致柱顶简支梁件对竖重的 向下传递由原先的在柱中心下传改为由柱顶升起的 角边下传。同时， 侧倾了的柱下端其对竖载的向下 传递也由原先从中心下传改为由柱底面斜下角下 传。这种因柱顶底面由平变斜引发的竖载在柱顶面 及底面上的移位传递， 对柱而言起着迫使柱减轻侧 倾 的趋势 ， 是一项对柱顶作用的约束力矩。枋件对 木柱的约束作用只在木柱发生一定程度的歪斜 位 移 后才发生 ， 因此 可将枋件 的约束 作用看作安全 储备 ， 当柱顶竖向力作用不能抵抗水平荷载所产生 的弯矩时 ， 枋件将产生约束作用 ， 抵制柱的进一步歪 斜 位移 。 2古建木结构的受力特性 就古建木结构的受力方向来说， 其主要承受竖 向荷载和水平荷载。就竖 向荷载而言 ， 望板承担屋 面瓦 、 泥灰 以及其上活载后 ， 将其传给椽条 ， 椽条又 将荷载传给檩条， 檩条接受荷载后， 将其传给柁梁， 再由柁梁最终传柱。在竖载作用下 ， 椽、 檩 、 柁梁 的 受力为受弯构件； 柱属于轴压或偏心受压构件。 古建木结构筑除了承担竖向荷载之外 ， 也须考 虑水平荷载， 既风载和地震作用。风载作用于墙面 及屋顶坡面， 而后传给柱或墙， 最后作用给基础。而 地震作用则是从地面瞬间产生位移起始而出现的， 先作用于基础， 而后传给柱、 梁， 这就使瞬间的地面 位移量通过墙、 柱的层间剪力向上传递， 使上层也出 现瞬间位移并伴随有放大效应。 计算简图的建立， 古建木结构的梁件是简支浮 放在柱顶面 ， 而柱底也是浮放在础石顶面之上 ， 柱顶 枋件以燕尾榫作法与柱连接。柱底与柱基铰接处为 不动铰支座连接， 柱顶与梁件为铰连接， 柱顶与枋件 为滑动铰支座连接。当柱出现一定程度歪斜后， 枋 件可以承担作用给柱的力矩来约束柱的连续倾倒变 形。此项约束力矩是同时出现在枋件两端， 且两端 约束柱身转动的方向相同。该约束力矩 t 传给柱 2 O 1 3N0 J 5 秦岭， 等 古建木结构受力性能探讨 9 后 ， 将与柱底相应承担 的剪力 所引发 的柱顶弯矩 H， 相互平衡 。对此可列式如下 H。 Mf 5 式 中 对应 可允许的柱底剪力 ； 日， 由柱底到枋件中心的高度 ； 尬枋件端榫可承担的力矩。 1 当柱倾斜较小时， 柱顶竖向荷载 Ⅳ 由原先 的 在柱中心下传改为由柱顶升起的角边下传。同时， 侧倾了的柱下端其对竖载的向下传递也由原先从中 心下传改为由柱底面斜下角 此角与柱顶的升起角 为斜对 下传 ， 如 图 3所示 。 图 3 柱 受力计算简图 F i g ． 3 Ca l c u l a t i o n o f b e a r i n g c o l u m n 这种 因柱顶底 面由平变斜引发的竖载在柱顶面 及底面上的移位传递， 对柱而言起着减轻侧倾的趋 势， 是一项对柱的约束力矩 ， 在倾角较小时可有 下式 、 MN N KX B 6 式中 柱件传下的竖载力； B 柱顶面宽 ； 出现 时柱顶底所传竖力线平行 中 距与B的比值， 此值可由试验确定。 2 当柱倾角较大时， 柱顶竖向荷载 Ⅳ将产生导 致柱倾倒的倾覆力矩 N S ， 此力矩应由枋件所产生 的约束力矩 来平衡。由此可见， 柱头在承受水平 外载出现倾斜之初， 首先出现柱顶竖向荷载所产生 的约束力矩 ， 此时枋件并不发挥作用， 平衡方程 可表达为 M MN 7 随着水平荷载的增大， 柱倾斜的增加， 约束力矩 将转换为倾覆力矩， 此时枋件所产生的约束力矩 尬 开始发挥作用 ， 平衡方程可表达为 N M K X N X S Hi Mf 8 这反 映 出一 个现象 ， 即当柱 顶 竖 向荷载 Ⅳ较 大， 柱的截面尺寸又较宽 即日较大 时， 将显著 为大， 此时的柱身只是将要出现侧倾趋势， 单有 即可达到柱的受力平衡 。古建木结构一般均采用厚 重的屋盖， 厚重屋盖固然可增加地震时的惯性力 ， 但 另一方面也提高了屋盖的刚度， 约束了下部柱架结 构 ， 从而加强 了房屋构架的整体性及稳定性。 3 古建木结构的抗风估算 借文献[ 5 ] 对应县千年木塔的有关数据、 尺寸 对 』 l 作如下粗略估算。 木塔上部总重 不计底层墙体重时 为 2 9 4 0 0 k N ， 塔身计算高度取为4 8 m， 塔身为八角形， 近似取 受风面的直径为 2 5 m， 塔体共 9 层， 底层柱净高取 用 5 ． 2 m， 柱宽取 5 ． 21 l 0 ． 4 8 m。设塔底的柱根 数为 ， 则单柱承担的下传竖载力 N 2 9 4 0 0 k N ／ n ， 按公式 6 计算肘 并取 K 0 ． 8 5 ， 则 MN O ． 8 5 2 9 4 0 0 ／ n 0 ． 4 8 1 2 0 0 0 ／ n k N 脚 据文献[ 1 1 ] 计算塔体受风时的底层总剪力 为 V1 ． 41 ． 0 5 X 1 ． 4 2 X0 ． 8 X 0 ． 8 X5 5 X4 82 5 8 81 7 2 kg 此总剪力对底层柱顶产生的总弯矩 8 8 1 ． 7 2 X 5 ． 2 4 5 8 5 t1T I 。 平衡此弯矩所需全效能服务的柱根数 4 5 8 5 1 2 0 0 0 ／ n3 8 ． 2 ％ 。 上式计算充分说明 的影响是相当可观， 不 需全部柱参予， 仅有总数 3 8 ． 2 ％的全效柱即可在塔 体不出现明显的“ 起步变形” 条件下 即枋件端榫全 然不工作 ， 单由柱顶底传力移位的效应力矩即可 与塔体受风的设计值取得平衡。 对仅受风荷载的情况， 由 ≤ N K B可 得出 Ⅳ≥V ／ K B 9 4 古建木结构的抗震估算 根据底部剪力法 ， 对单层木结构房屋 ， 底部地震 剪力 F E G ， 在多遇地震下 ， 地震剪力较小 ， 柱 有倾斜趋势， 此时倾覆力矩为M F H O t G H。 约束力矩为MN G K BG K B 。 ME K ≤ N ， 即 O l G X日≤G X KB， O t ≤K B ／ H， 假设柱高 H 4 1“13 ， 柱截面宽度 B 0 ． 3 m， K 0 ． 8 ， 则可由上式计算出 ≤O ． 0 6 ， 6 度抗震设防设计时， 多遇地震水平地震影响系数最大值为 O ． 0 4 ， 故对不 大于6 度时的地震 ， 枋件不发挥作用， 依靠柱顶竖向 力 Ⅳ所产生的约束力矩就足以满足抗震要求。 对多层木结构房屋， 底部地震剪力 F 0 ． 8 5 G， 则有 X 0 ． 8 5 G X 日≤G X K X B， 假设柱 高 4 m， 柱截面宽度 B 0 ． 3 m， K 0 ． 8 ， 则可计算出 1 0 四川建筑科学研究 第 3 9卷 ≤ O ． 0 7 ， 这一值已很接近7 度抗震设防设计时多遇 地震水平地震影响系数最大值 0 ． 0 8 。故对多层木 结构房屋， 接近7度时的地震， 依靠柱顶竖向力 Ⅳ 所产生的约束力矩就足以满足抗震要求。 对 7 度及以上地震， E K N ≤ 。 假设柱所受轴向力为 Ⅳ， 则有 』 v HⅣ K B ≤ ， 上X HX b HX 1 0 ． 5 K _ e 一 0 ． 5 r 下 ， 可得 出 Ⅳ≤ r 上H X b X H 10 ． 5 K 一 0 ． 5 ／ O t HKXB 1 O 由 9 、 1 0 两式可得出 J 7＼ ， 的范围， 由此可进一 步确定 出屋盖重量范围。 3 对古建木结构进行检测、 鉴定时的 建议 古建木结构的构成都具有柱、 梁、 枋三类， 梁直 压柱顶 ， 上柱再压梁上 ， 梁下必有枋 ， 枋与柱 以燕尾 榫相连， 再加上自重较大的屋盖， 构成了刚柔相济的 结构体系。检测鉴定时应针对上述特点进行有针对 性的检查 。 1 大重量、 大刚度的屋顶为木构件之间的连接 提供足够的摩擦力和阻尼， 加强 了梁柱结构之间的 整体性和稳定性； 同时， 上部结构的重量也是维持结 构底部抗滑移能力的必不可少的条件 。检测时 ， 若 发现屋盖有损坏现象 ， 应原样修复， 不要随意减轻屋 盖重量。 2 古建木构架由柱、 梁件、 枋件三类构件构成， 梁件与枋件上下平行配置 ， 但二者有着 明确的分工 。 梁件承担其上竖载的向下传递 其对水平外力的抵 抗参予则与传载大小、 柱宽尺寸有关 。而枋件仅 在必要情况下即柱出现一定程度的侧倾之后， 才开始发挥作用 。 3 依构件受力重要性来说， 在单层古建中， 梁 件承受竖重后， 形成跨中截面弯矩值最大， 但实际工 程中一般因截面选用较大， 梁件多不存在薄弱环节。 但仿件相比则不同， 因其在抵抗侧向水平力情况下 支座截面所受弯矩最大， 同时还有剪切力存在， 而相 应枋件端头燕尾榫根部 因截面削弱过多 ， 故形成为 明显的薄弱环节。对柱则因其顶端所受弯矩为最 大 ， 且柱顶存在多个卯 口， 形成截面明显 的缺失 ， 而 燕尾榫的受力又会形成柱顶的劈裂应力 ， 故该处也 存在薄弱环节。这些薄弱环节也是检测时应重点检 查的部位。 4 由于柱的顶底面与相邻构件都是浮搁简支 状态， 而柱的高宽比相对较大， 这在梁端负重较大 时， 是存在有对柱作用的约束力矩 即柱顶底传力 移位的效应力矩 ， 此约束力矩对单层结构来说 其效应多不显著， 但对多层的塔体结构来说， 则是十 分重要的抗侧力因素。 5 古建木结构对地震的反应与当今常规结构 的反应大有差异， 它在枋端榫出现变形之前， 即枋件 不对柱的侧倾提供约束力矩的情况下， 柱的工况是 上下为铰接 0这样 ， 地震出现瞬间反复的地面位移 对柱就形成不了有效 的层间剪力， 各层柱 皆无剪力 ， 而地震对结构造成的仅是接触地面的底层柱的摇晃 摆动。此效应和当今建筑要达到的隔震作用十分相 似。 6 应开展一些必要 的科学试验研究 ， 对本文中 、 等值进行测试， 以增强古建木结构鉴定的 科学性。 参 考 文 献 [ 1 ] 马炳坚． 中国古建筑木作营造技术[ M] ． 北京 北京科学出版 社 ， 1 9 9 1 ． [ 2 ] 赵均海． 中国古代木结构的结构特性研究[ D ] ． 西安 西安交 通大学 ， 1 9 9 8 ． [ 3 ] 薛建阳． 中国古建筑木结构模型的振动台试验研究[ J ] ． 土木 工程学报 ， 2 0 0 4 ， 3 7 4 ． [ 4 ] 葛鸿鹏． 中国古代木结构建筑榫卯加固抗震试验研究【 M] ． 北 京 北京科学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 5 ] 李铁英． 应县木塔现状结构评价[ J ] ． 土木工程学报 ， 2 0 0 5 ， 3 8 2 ． [ 6 ] 姚侃． 古建木构架的整体稳定性分析[ J ] ． 世界地震工程， 2 0 0 8 ， 2 4 1 ．