中国古建筑木结构力学研究进展.pdf

第42卷第5期力学进展Vol.42No.5 2012年9月25日ADVANCES IN MECHANICSSep. 25,2012 中国古建筑木结构力学研究进展 ∗ 陈志勇 1,2 祝恩淳 1,† 潘景龙 1 1 哈尔滨工业大学土木工程学院, 哈尔滨 150090 2 新布伦瑞克大学林业和环境管理学院, 弗雷德里克顿 E3B 5A3, 加拿大 摘要中国古建筑木结构是我国乃至世界的宝贵文化遗产, 也是中华文明的重要组成部分. 随着时间的延 续, 对这些价值连城、失而不可复得的历史文物的保护日益迫切. 本文从古木结构的木材力学性能、关键节点 斗栱、 梁柱节点和柱脚节点 受力机理、 木构架整体受力性能研究、 结构残损勘查、 安全评估及修缮加固等方 面, 总结了近 30 年来结构学者对古代木结构建筑的研究进展, 以期为今后进行古木建筑的结构研究提供参考. 关键词古建筑木结构,斗栱, 梁柱节点, 柱脚节点, 榫卯连接, 受力性能 1引言 中国古建筑是由中华民族祖先所创造发明, 因其建筑形式优美及结构性能优越而影响并传播 至日、 韩和越南等临近国家,是中华乃至世界文明 的重要组成部分,也是人类宝贵的文化遗产.其中 数量最多且最具特色的当属古木结构,如中国的 应县佛宫寺释迦塔公元1056年建和蓟县独乐 寺观音阁公元984年建.随着时间的延续,对这 些价值连城、失而不可复得的历史文物的保护日 益迫切. 从20世纪30年代开始,以梁思成先生 [1-2] 和 刘敦祯先生 [3] 为代表的中国营造学社,从建筑学 角度对中国古建筑进行了深入的研究;而从结构 方面对古建筑的研究,则是从王天 [4] 关于古建筑 各重要构件、节点乃至整体结构在静力载荷作用 下的力学性能分析开始.本文总结近30年来结构 学者对古代木结构建筑的研究进展,以期为今后 进行古建筑的结构研究提供参考. 2古木建筑的木材力学性能 上古时期我国森林资源丰富,木材便于就地 取材和加工,而当时处于石器和青铜器时代,石材 的开采加工困难,因此我们原始和奴隶社会的祖 先选用木材作为房屋建造的主要材料 [5]. 经长期 实践,人们认识到木结构各种优点的同时,还累积 了大量行之有效的木结构营造技术及经验.然而, 与其他建筑材料相似,作为使用了上百年后的材 料,木材也有一些问题正在或有待研究. 2.1腐朽、虫蛀和老化等环境因素引起的木材 材性劣化 承重木构件在数百年甚至上千年使用过程中, 遭受不同程度的真菌腐朽、虫蛀以及老化等环境 因素引起的材性劣化作用,其材性有何变化,是从 事古建工作者至为关心的问题. 古建筑木结构维护与加固规范 编制组 [6]、 陈国营 [7]、 曹旗[8] 和王晓欢 [9] 等分别对北岳庙大 殿约900年、 易昌陵碑楼约200年、 应县木塔 约950年、 晋祠景清门约750年和故宫武英殿 正殿约590年所用木材进行新旧材性对比试验. 结果表明,经受环境因素长期作用后的木材,由于 物理作用和化学反应致使其各项力学性能指标皆 有不同程度的降低、 材质变脆,不同树种的材性变 化幅度不等但趋势相同.由于旧木材缺乏且古建 筑弥足珍贵,以上学者的对比试验仅得到了某几 种树种相对定性的结果. 为解决古建筑材性试验中旧木材缺乏、新旧 木材材质不一致的问题,徐明刚等 [10] 提出了通过 收稿日期 2011-09-29, 修回日期 2012-02-13doi 10.6052/1000-0992-11-134 ∗国家自然科学基金项目 50878067 资助 †E-mail e.c.zhu 第 5 期陈志勇等 中国古建筑木结构力学研究进展645 接种腐朽菌加速木材腐朽的试验方法.通过木材 加速腐朽试验,得到了各腐朽等级木材的物理力 学性质及其衰减变化规律.同时, Calderoni等 [11] 建立了基于电阻成像的非破损试验方法,以进行 木材各项力学指标的劣化程度测试. 2.2木材的各向异性 木材是复杂的各向异性材料.为实现木结构 精细化有限元模拟,陈志勇 [12-13] 建立了能反映 木材正交各向异性弹性、抗拉和抗压强度不等、 抗拉或抗剪时发生脆性破坏而受压时发生塑性变 形、且在横纹承压下发生二次应变硬化等特性的 本构模型,通过编制用户子程序实现木材本构模 型在ABAQUS的嵌入,并应用到对应县木塔典型 节点斗栱、梁柱节点和柱脚节点的受力性能有 限元分析中. 2.3蠕变、载荷持续作用和损伤累积 木材是黏弹性材料,在载荷作用下其变形将 随时间增长而增大即蠕变;在长期载荷作用下 的木材的强度随作用时间延长而降低即载荷持 续作用;同时,由于环境温度、湿度的变化而导致 木材的损伤累积,如蠕变变形增长等 [14]. 由弹簧 和黏性元件组成的Maxwell模型和Voigt模型为 木材蠕变研究常用的力学理论模型, Madison曲线 为表征木材载荷持续作用的试验曲线,而开裂黏 弹性模型damage viscoelastic material, DVM [15] 等则是用来描述木材累积损伤的本构模型.迄今 为止,仅李瑜等 [16]、瞿伟廉等[17] 和王雪亮等 [18] 采用Gerhards累积损伤模型对木构件的剩余强度 和寿命进行了研究,而尚未有学者对古木建筑进 行蠕变和载荷持续作用研究. 3关键节点受力机理 中国古建筑木结构多属殿堂式,其结构一般 分为屋盖、铺作斗栱和柱架3层.其中,斗栱、 梁柱节点和柱脚节点分别为铺作层和柱架层的关 键受力节点 [12]. 因此研究这些关键节点的受力性 能对分析古木结构整体受力性能具有重要意义. 3.1斗栱 斗栱是中国古建筑所特有的形制,早在3000 年前的商周时期即已出现.它是较大建筑物屋盖 与柱架间之过渡部分,其功用在于承托上部挑出 的屋檐,将屋盖重量或直接传到柱上,或先纳至阑 额明清时为额枋之上,再转至柱上.同时,斗 栱用于屋檐下,向外出跳,承挑上部屋檐,可使出 檐更加深远;用于室内时,向两端挑出,可缩短梁 枋跨度、分散梁枋节点处剪力等作用 [19]. 斗栱的 形式和制作工艺从汉至宋不断演变和更新 [20], 北 宋崇宁二年公元1103年李诫所编著营造法 式[21]标志着斗栱的制作工艺已臻成熟,并统一 了斗栱及其构件的名称.自元至清,由于木材资源 减少,斗栱制作工艺也进行了更新,清雍正十二年 公元1734年工部颁发的 工程做法[2]标志着 另一种斗栱制作工艺的完善.由此,便有了现代常 加以区分的两种斗栱形式,即“宋式斗栱”和“清 式斗栱”. 3.1.1宋、清斗栱法式比较 无论是宋式还是清式斗栱,都是基于模数制 作而成的.宋式斗栱以材份制的“份”为各构件 尺寸的模数,根据建筑等级的不同划分有8个尺 寸等级,栱的横截面高宽比有1510谓之单材和 2110谓之足材两种;而斗口制的“斗口”作为清 式斗栱的模数,将斗栱分为11个尺寸等级,栱的横 截面高宽比也有1410单材和2010足材两种. 对于主要受弯的栱来说,宋式栱截面高宽比大于 清式的,故宋式栱比清式栱更能有效地利用材料. 基于不同模数的宋式和清式栱的长度与其宽度的 比例,除个别如宋“华栱”和与之对应的清“翘” 稍有差别外,大部分基本相同；两种斗栱斗的长、 高和宽的比例也相同. 宋式和清式斗栱根据位置的不同,都划分了3 类.宋式的补间铺作营造法式 中称斗栱为“铺 作”、 柱头铺作和转角铺作,清式的平身科工程 做法中称斗栱为“斗科”、柱头科和角科与之相 对应.两个时代的斗栱构件都有各自一套名称,对 于相同安装位置的斗或栱,宋式和清式的命名皆 一一对应,只是清代耍头上没有与宋式齐心斗对 应的斗. 另外,宋式斗栱上下各跳华栱的宽度相同为 10份,而清式与之对应的翘则由下至上逐渐变宽. 宋式斗栱有斜插的上昂和下昂,除起与华拱一样 出跳承重的作用外,尚可调节出跳与跳高的关系; 而在清式斗栱中,宋式两类斜昂皆被水平昂所替 代,与翘作用相同,只是做出相应的造型而已.宋 式斗栱有“计心造”和“偷心造”, “重栱造”和“单 栱造”之分,而清式斗栱全为“计心造”和“重栱 造”. 646力学进展2012年 第42卷 3.1.2宋式斗栱研究 为研究宋式斗栱的受力性能,高大峰等 [22−23] 和张鹏程等 [24-25] 按照营造法式的规定制作 了6个宋式二等材计心造八铺作斗栱最下两跳的 缩尺1 3.52模型,通过竖向单调加载试验和水 平低周反复加载试验,得到了斗栱模型在竖向载 荷和水平载荷作用下的破坏模式和载荷--位移曲 线.基于试验结果分析,高大峰等 [22−23,26] 和魏安 国等 [27] 提出了斗栱在竖向载荷作用下的载荷-- 位移计算模型、质量--弹簧--阻尼器模型、水平 力--位移的恢复力模型等,并进行了斗栱竖向地震 传递系数和水平向耗能性能的计算,结果表明斗 栱在两个方向上都具有很好的抗震性能.同时,魏 安国 [27] 和冯建霖等 [28] 提出了铺作层的力学模 型,并进行了水平方向的振动分析及随机破坏分 析.魏安国 [27] 通过ANSYS对试验进行了有限元 模拟再现,并比较了齐心斗对斗栱竖向承载性能 的影响.李海娜等 [29] 和吴磊等 [30] 通过静力分析, 得到了试验斗栱的竖向极限承载力,并预测了各 主要构件的静力破坏模式. 其实,正如上文所述斗栱是铺作层的关键 节点,那么铺作层的整体受力性能是如何的呢 隋等 [31-33] 通过单朵、两朵和四朵宋式斗栱模 型的水平低周反复加载试验,得到了单铺作、 两铺 作和四铺作共同受力的破坏模式、水平滞回曲线 及骨架曲线.结果表明,铺作层的变形以水平滑移 为主,而这种摩擦滑移具有耗能、隔振作用,是古 建筑木结构具有良好抗震性能的重要原因;试验 模型的滞回曲线呈平行四边形,滞回面积饱满,说 明铺作层具有良好的滞回耗能特性.最后由试验 数据拟合得到了铺作层的线性强化弹塑性恢复力 模型. 应县木塔用斗栱的数量480朵及形式54 种之多,堪称为斗栱博物馆,其斗栱也属于宋式 斗栱 [12]. 王珏 [34] 和陈韦等 [35-36] 通过应县木 塔柱头、补间和转角3类铺作1 3缩尺模型的 竖向单调加载试验和水平低周循环加载试验,得 到了3类斗栱在竖向载荷和水平载荷下的破坏模 式、载荷--位移曲线及耗能性能,并提出了两种空 间牛腿模型来简化模拟3类斗栱.肖碧勇 [37] 和王 智华 [38] 分别通过足尺模型试验和有限元方法,研 究木塔第二明层外槽柱头铺作和第三明层内槽转 角铺作在真实荷重下的传力机理.陈志勇 [12] 以 应县木塔典型的第二暗层外槽柱头铺作为研究对 象,制作了其1 3.4缩尺木塔栱构件以17 mm为 基本模数模型,通过栱枋端自由的竖向单调加载 试验和栱枋长度截至反弯点且端面为铰接的水平 低周反复加载试验,得到了木塔典型斗栱在竖向 和水平向载荷作用下的传力路径、破坏模式、受 力性能及耗能性能等;同时,通过ABAQUS建立 了具有实际几何结构、木材复杂本构关系、动力 摩擦接触关系的斗栱精细化有限元模型,对斗栱 在竖向载荷和水平载荷作用下的受力性能进行分 析,并建立了应县木塔典型斗栱的梁--短柱单元组 模型以分析斗栱的传力路径及受力性能 [12,39-42]. 3.1.3清式斗栱研究 赵均海等 [43-44] 和俞茂等 [45-49] 通过3类 清式斗栱廊柱头科、平座平身科和平身科 1 3 缩尺模型的水平向重复加载和动力特性试验,得 到了斗栱模型在翘方向和栱方向的水平重复载荷 --位移曲线,频响函数曲线,固有频率和阻尼比等 自振动力特性,并研究了边界条件和竖向载荷等 因素对其动力特性的影响.方东平等 [50-53] 提出了 清式斗栱的三维半刚性节点单元模型,可根据整 体结构的自振频率使用Simplex方法确定模型的 参数范围.此半刚性模型为古木结构整体受力性 能有限元分析提供了理论基础. 3.1.4日式斗栱研究 与赵均海等 [43-44] 的研究相似,津和佑子 等 [54]、金惠园等[55] 和藤田香织等 [56] 对日本 寺院堂和塔类的斗栱模型进行了水平向静、动力 试验,研究了其滞回曲线、自振频率及恢复力等 特性.Tsuwa等 [57] 对3个构造相同但尺寸呈 2/3 1 3/2比例关系的斗栱模型进行了微振 动和自由振动试验,研究了其动力特性与尺寸的 关系,并利用Merikomi木构件横纹刚度理论计算 了斗栱模型的水平刚度. Kyuke等 [58] 对足尺斗栱 模型进行了振动台试验,得到的斗栱刚度与静力 加载试验刚度吻合,并讨论了斗栱各构件的转动 及滑移变形. 3.2柱架节点 除斗栱外,古木建筑尚有另外两个显著特点 1梁柱之间采用榫卯连接,这种连接不同于现代 的钢结构和钢筋混凝土结构梁柱节点,其具有比 刚接变形大而比铰接变形小的特点,是介于刚接 和铰接之间的半刚性连接,不仅有承受拉压的能 力,而且还具有一定的抗弯和抗扭能力; 2柱脚 大多直接搁置在石础上,俗称“浮摆式”平面接触, 第 5 期陈志勇等 中国古建筑木结构力学研究进展647 在水平地震和竖向地震共同作用下,则可能产生 滑移. 3.2.1梁柱节点研究 古木结构梁柱节点的榫卯连接主要有燕尾榫 和直榫两种.其中前者常见于宋式古木结构；后 者多为清式古木结构所采用,且根据榫是否穿透 卯构件又分为透榫和半榫. 高大峰等 [26,59-60]、 姚侃等[61]、 赵鸿铁 等 [62-63] 和隋等 [64-65] 通过宋式木构架1 3.52 缩尺模型的水平反复加载试验,研究了典型燕尾 榫和透榫榫卯连接的半刚性连接特性及其刚度退 化规律.根据试验获得的榫卯连接弯矩--转角滞回 曲线及骨架曲线,拟合得两类典型榫卯连接的弯 矩--转角关系方程和恢复力模型.杨艳华等 [66] 结 合宋式和清式榫卯特点制作了十字形梁柱榫卯连 接模型,通过试验分析了替木尺寸、榫头尺寸和 卯孔对柱的削弱程度等因素对连接刚度的影响规 律.陈志勇等 [12,67] 和武国芳 [68] 通过4个应县 木塔典型角柱和平柱梁柱节点1 3.4缩尺模型 水平低周反复加载试验和有限元模拟,研究了其 破坏模式、抗弯受力性能及耗能性能等.方东平 等 [50,69-70] 和赵均海等 [71] 对斗栱三维半刚性节 点单元模型进行了简化,并应用到榫卯连接模拟 中.董益平等 [72-74] 和仓盛等 [75] 将梁柱榫卯连接 简化为空间两节点虚拟弹簧元或虚拟梁元,通过 建立连接的三维实体模型和接触应力分析确定了 弹簧单元的刚度. King等 [76] 通过榫卯节点人工老化试验,研 究自然老化后节点受力性能的退化情况.结果表 明,半刚性榫卯节点经人工老化处理后,其抗弯刚 度有的明显下降. Chang等 [77] 采用Fractional试 验方法对榫卯连接进行了足尺试验,并结合有限 元分析研究了榫卯节点的抗弯受力性能. Shanks 等 [78] 对传统的橡树燕尾榫卯连接的抗拉、抗弯 和抗剪刚度及极限承载力进行了试验研究. Han 等 [79] 对韩国传统木结构榫卯连接模型进行试验 研究,结果表明榫卯的刚度和屈服载荷随榫接触 面的增加而提高. William等 [80] 在各种设有暗销 的榫卯节点试验研究的基础上,提出了榫卯节点 的计算模型. 3.2.2柱脚节点研究 单层古代木结构的柱脚,除结构体量较小时 采用“管脚榫”插入柱础石杯口嵌固外,一般情况 如殿堂和厅堂等大型建筑常将柱直接搁置在柱础 石上,称为“柱础石式” [12]. 张鹏程 [81] 通过12组 摩擦试验,测得木柱与石础间的摩擦系数约为0.5. 姚侃等 [82] 对宋式木构架1 3.52缩尺模型进行 了摩擦滑移隔震试验,结果表明柱与柱础间因摩 擦滑移而具有隔震耗能性能;建立了柱与柱础的 摩擦滑移隔震模型,并运用随机振动理论FPK方 程Fokker–Planck equation提出了柱与柱础间滑 移量在白噪声过程作用下的计算公式. 对于多层古木结构,如楼阁或塔等,上层柱架 常通过“叉柱造式”或“骑栿式”插在其下方铺作 层上 [12]. 陈志勇 [12] 和武国芳 [68] 通过4个应县 木塔典型角柱和平柱柱脚节点1 3.4缩尺模型水 平低周反复加载试验和有限元模拟,研究了其破 坏模式、抗弯受力性能及耗能性能等. 4木构架受力性能 古建筑木结构的结构形式一般分抬梁式、穿 斗式、密梁平顶式和井干式4种.宋代的殿堂式 和厅堂式,以及清代的“大木大式”相当于宋厅堂 式和“大木小式”又称柱梁作均属抬梁式;穿斗 式一直应用在长江流域和东南、 西南地区,而密梁 平顶式常见于西藏、青海和新疆等地；井干式出 现在商代,现今只在东北林区和西南山区使用.除 此之外,尚有一种宋代名为“簇角梁”而清代称之 “尖角”的亭式结构,主要用于园林. 4.1结构概念体系分析 陈志勇 [12] 应用工程力学的观点,分析了古建 筑木结构特有“侧脚”和“生起”的结构作用.侧脚 使柱架的阑额和普拍枋在竖向载荷下产生轴压力, 使梁柱节点密实接触并提高了梁柱节点的抗弯性 能;在水平载荷作用下,侧脚优化了柱架的传力路 径,降低柱架的不利内力、 整体侧移变形及其引起 的重力二阶效应;侧脚还提高柱架的抗倾覆性能. 在竖向载荷作用下,生起提高了平柱梁柱节点的 抗弯性能;与侧脚类似,生起进一步优化了柱架水 平载荷的传力路径,减小了柱架侧移及其引起的 重力二阶效应;同时,生起降低了倾覆力矩,也提 高了柱架的抗倾覆性能.认为古建筑木结构的大 重屋顶与“侧脚”和“生起”相辅相成,是结构趋 于稳定和安全的重要构造措施. 薛建阳等 [83]、张鹏程等[84]、高大峰等[85]、 姚侃等 [86−88]、于倬云等[89]、庄裕光等[90]、陈华 等 [91]、苗春生等[92]、李豪邦[93]、葛安祥等[94]、 李蓉等 [95]、谢启芳等[96]、古今元[97] 和程浩 [98] 648力学进展2012年 第42卷 等,从柱网布置合理、木构件柔韧性好、榫卯连接 的斗栱和梁柱节点的耗能性能强、浮摆式柱脚节 点隔震性能优越、重屋顶和侧脚及生起有利于结 构稳定等方面,分析了古木建筑“刚柔相济、以柔 克刚、滑移隔震、耗能减震”的抗震思想.吴玉敏 等 [99] 以金厢斗底槽殿堂式建筑为例,分析其“高 位不倒翁”与“柔颈”两种现象,并认为是古木结 构具有优良抗震性能的主要因素. Kataoka等 [100] 对日本传统木屋盖结构Hane- gi进行了结构体系和受力分析. Maeda [101] 探讨了 日本传统木结构特有的木柱动力倾覆机理,发现 其抗倾覆能力取决于屋盖的重量. 4.2结构动力特性 结构动力特性是反映结构本身所固有的阵 型、频率和阻尼等特性,由其结构形式、质量分 布、结构刚度、材料性质和连接构造等因素决定, 与外载荷无关,是研究结构抗震、 抗风或抵御其他 动载荷性能的基础. 李铁英等 [102-104]、 温瑞智等[105] 和车爱 兰 [106] 等先后通过环境振动试验测试了应县 木塔在小振动水平下的自振频率、 振型和阻尼 比等动力特性.李铁英等 [107] 使用脉动法对蓟 县独乐寺观音阁进行了动力特性实测.俞茂 等 [50,70,108-109] 对西安北门箭楼进行了有无屋面载 荷的现场脉动试验,比较了箭楼在两种工况下的 自振频率及振型等动力特性. Uchida等 [110]、 Kawai 等 [111-112]、 Minowa等 [113]、 Ono等 [114] 和 Kameyama等 [115] 通过场地微振动和人工锤击激 励试验对日本多座古木塔如Hokekyo-Ji Temple, Itsukushima Shrine和Myojo-Ji Temple等和庙宇 如Yusho-Ji和Shinpuku-Ji等的动力特性进行了 测试.以上测试结果表明,古木结构建筑的自振周 期与建筑高度呈比例提高,第一阶自振频率都少 于1.5 Hz,故一般不会与地面震动发生共振,这也 是古木结构抗震性能好的原因之一. 4.3结构受力性能试验研究 张鹏程等 [116]、 高大峰等[117]、 薛建阳等[118]、 葛鸿鹏等 [119] 和隋等 [120] 对二等材宫殿当心间 1/3.52缩尺模型进行了振动台试验,结果表明柱根 滑移对柱架有隔震作用,斗栱和梁柱节点具有很 好的耗能性能,对柱架的耗能和减震起主要作用. 张文芳等 [121] 通过应县木塔二层1 10缩尺模型 的低周反复加载试验,获得了木塔的恢复力模型. 俞茂等 [50,70,108-109] 使用木材和有机玻璃分别制 作了西安北门箭楼1 10缩尺模型,由拟静力试验 得到了箭楼结构的滞回特性、刚度和延伸性以及 榫卯和斗栱的工作性能. Chang等 [122-123] 和Chen 等 [124] 通过足尺试验比较了木料和土等填充物对 剪力墙抗侧刚度的影响,由静力推覆试验分析了 具有剪力墙的传统木结构的抗震性能,经水平低 周循环加载试验研究了传统木结构剪力墙破坏后 的修复加固方法. Seo等 [125]、Fujita等[126]、Nakaji等[127]、Man- eno等 [128] 和Kawai等 [129] 分别通过水平单调 加载、水平低周循环加载和振动台试验,对日韩 古代木结构建筑进行了受力性能和抗震性能研究. Ono等 [114]、 Tsuguomi [130], Shimizu 等 [131] 和Shi- rayama等 [132] 分别通过试验研究了Nuki一种梁, Laddery一种梁, Sashigamoi一种大截面梁, Kok- abe挂墙,柱以及传统趾榫stub tenon和全榫 full tenon连接对日本古建筑受力性能和抗震性 能的影响. 李铁英等 [133] 和魏剑伟等 [134] 对应县木塔 1 100缩尺模型进行了风洞试验,得到了木塔各 层各面的风压体型系数.孟昭博等 [135] 通过对 西安钟楼进行现场动力响应测试和建立其木结构 振动分析模型,依据古建筑防工业振动技术规 范GB/T 50452-2008进行了行驶车辆对钟楼木 结构微振动的影响评估.结果表明,车流量和车 速较大时段木结构柱顶的振动速度超过了GB/T 50452-2008振动速度的限值,并提出了相应的减振 措施. 4.4结构受力性能计算分析 基于层模型的理论计算和以简化模型或精细 化模型为对象的有限元分析,是古建筑木结构整 体受力性能的主要研究方法. 4.4.1层模型 陈平等 [136] 基于西安钟楼的结构特点建立其 单质点结构振动模型,并进行了抗震能力分析.李 铁英等 [102-104,137] 根据应县木塔层间模型比例 为1 10的拟动力试验,建立了木塔四线型非线 性恢复力模型,通过能量等效方法和传递函数计 算分析了木塔各层的耗能性能及动力响应.魏剑 伟等 [138] 和李铁英等 [139] 根据随机振动理论,运 用风反应谱的概念和振型分解法进行了木塔的风 振分析,与风压静力作用对比获得了风振系数. Uchida等 [110]、Kawai 等 [111]、Kameyama 第 5 期陈志勇等 中国古建筑木结构力学研究进展649 等 [115]、Fujita 等 [140]、Chiba 等 [141] 和Kita- mor等 [142] 使用层模型vertical lumped mass sys- tem model分别对多座日本古木塔如Hokekyo-Ji Temple, Itsukushima Shrine和Myojo-Ji Temple等 和木结构庙宇如Yusho-Ji和Shinpuku-Ji等进 行了动力特性和地震响应分析. 4.4.2有限元模型 高大峰等 [59-60]、 薛建阳等[118]、 熊仲明 等 [143]、苏军等[144]、高大峰等[145-146]、董益平 等 [72-73]、竺润祥等[74]、仓盛等[75]、曲慧等[147]、 王林安等 [148]、 赵均海等[149-150]、 方东平等[50-53]、 丁磊等 [151]、周乾等[152-155] 和李小伟等 [156-157] 将斗栱和榫卯节点简化为变刚度单元,从而建立 了典型宋式木构件、西安东岳庙大殿、宁波保国 寺大殿、蓬莱阁、西安东门城楼木结构、西安鼓 楼、四川广元市觉苑寺逍遥楼、故宫英华殿和典 型清代九檩大式殿堂有限元模型,并通过动力特 性和地震响应分析,研究了古代木结构的耗能减 震性能. Tanahashi等 [158] 通过将梁柱节点简化为 Elasto-Plastic Pasternak模型EPM,建立了日本 传统古木结构有限元模型,从而进行了静、 动力模 拟分析. 王珏 [34]、车爱兰[106]、杜雷鸣等[159]、张舵 等 [160] 和常婧雅 [161] 分别建立了应县木塔刚接、 铰接或半刚性简化模型,并进行动力特性、 弹性反 应谱和弹塑性时程分析.陈志勇 [12] 在对木塔进行 全面的结构调查和结构解读及木塔典型节点性能 试验与分析的基础上,结合ABAQUS建立木塔结 构整体精细化有限元模型,进行静力受力性能和 地震响应分析,研究了木塔竖向和水平向载荷的 传力路径、 各层抗侧移刚度等,并确认第二明层为 木塔最薄弱环节. 刘妍等 [162] 通过将铺作简化为斜撑与桁架结 构,建立了蓟县独乐寺山门和观音阁有限元模型, 并进行了重力传力路径分析和动力特性分析.孟 昭博等 [163-164] 建立了西安钟楼上部木结构--台 基--地基三维有限元模型,基于黏--弹性人工边界 条件利用振型分解反应谱法进行了地震响应分析, 结果表明在对钟楼结构进行地震反应分析时必须 考虑土--结构相互作用. 5勘查、评估和加固 5.1残损调查及分析 现场目测检查和工程测量手段是古木结构残 损勘查的主要手段.隋坤等 [165] 运用工程测量方 法对应县木塔的变形状态进行了调查,发现木塔 整体向东北向倾斜且伴有复杂的顺时针扭曲,并 推测木塔的损坏是由历史地震活动所造成的.张 建丽等 [166]、魏德敏等[167] 和李铁英等 [168] 对木 材材性老化、木塔变形等残损现象进行了现场测 量勘查.闫晨曦等 [169] 和王平等 [170] 分别对天水 市南北宅子、伏羲庙、玉泉观和山海关镇东楼等 古木建筑进行了生物腐朽、虫蛀等危害状况勘 察、检测及病因分析. 同时,也有采用如三维应力波和X射线等现 代技术对古木结构进行残损调查.李华等 [171] 将 三维应力波断层扫描仪和阻力仪应用于古建筑木 结构的勘查中. Saito等 [172] 基于X射线成像、X 射线衍射及热分析技术,以Fukushoji寺庙修建和 修缮木材为对象,研究了虫蛀和木材老化化学反 应等对木材造成的损伤作用. 5.2安全评估 位于山西省应县、建于公元1056年、高度为 65.86 m的应县木塔,由于材料受化学、物理、生 物等的侵蚀,结构受地震、大风、竖向载荷及人为 损坏等,面临修缮与加固.李铁英等 [137,173] 和陈 志勇 [12] 结合现场调查、 典型节点试验、 木塔模型 试验和应县木塔精细化有限元分析结果,提出了 评估标准并对木塔现状进行了安全评估. 李瑜等 [16]、瞿伟廉等[17] 和王雪亮等 [18] 结 合腐朽模型和可靠度理论,推导得恒载长期作用 下木材残余强度的衰减模型,并由此对古建筑木 结构构件及结构的剩余寿命进行了估算. Uchida 等 [174] 提出了基于自振特性的古建筑木结构抗震 受力性能诊断准则和评估方法,并应用到5幢寺 庙和10栋房子评估中. 5.3修缮加固 古木结构的常见残损问题,可按 古建筑木结 构维护与加固技术规范GB/T50165-92的规定进 行修缮加固处理,如朱跃武等 [175] 结合工程实例, 根据GB/T50165-92进行了木质古建筑房屋的检 测、评定和加固处理. 对于古建筑木结构重要的部位和构件, Shira- tori等 [176] 研究了木楔子对榫卯节点增强作用;周 乾 [177−178] 和陈志勇 [12] 对钢箍加固木柱和梁柱 节点进行了试验和有限元模拟对比研究;杨勇新 等 [179]、 杨会峰等[180]、 庄荣忠等[181]、 武萍等[182] 650力学进展2012年 第42卷 和罗才松等 [183] 提出了采用碳纤维和玻璃纤维布 加固方法.葛鸿鹏等 [119]、谢启芳等[184]、于业 栓等 [185] 和赵鸿铁等 [186] 通过宋式二等材殿堂式 木构架的缩尺1 3.52模型的水平低周反复加载 对比试验,发现碳纤维布和扁钢加固后木构架强 度和刚度增加,而耗能能力却有所降低;扁钢加固 适合于强度或刚度明显不足且较隐蔽的榫卯节点, 而碳纤维布加固适合于破损程度较小的榫卯节点. 陈志勇 [12] 分析了木塔结构的薄弱点在其整 体和局部倾斜,抗扭刚度、 明层柱架和暗层铺作层 抗侧移刚度低,局部抗侧移刚度低以及节点横纹 屈服强度低等,并提出相应的加固增强设想和大 屋顶“移载”方案以减轻地震对木塔的作用. 6结语 本文从古木结构的木材力学性能、关键节点 斗栱、 梁柱节点和柱脚节点受力机理、 木构架整 体受力性能研究、 结构残损勘查、 安全评估及修缮 加固等方面,总结了近30年来结构学者对古代木 结构建筑的研究进展,为今后进行古建筑结构研 究提供参考.至今虽有西安城楼,应县木塔和蓟县 独乐寺等少数古木结构受到重视和研究,然而我 国尚存许多独具匠心的古建筑木结构,如采用拼 合构件的宋代宁波保国寺、现存规模最大、殿柱 最巨的明长陵棱恩殿,构思最巧妙大胆的悬空寺 和真武阁等 [187], 正有待学者们作进一步的研究, 从而更好地认识我国古建筑木结构的特点,并传 承中华民族精妙的建筑结构理念和施工制作工艺. 参 考 文 献 1 梁思成. 营造法式注释卷上. 北京 中国建筑工业出版 社, 1983 2 梁思成. 清工部 工程做法则例 图解. 北京 清华大学出版 社, 2006 3 刘敦祯. 中国古代建筑史. 第 2 版. 北京 中过建筑工业出 版社, 2005 4 王天. 古代木结构经历初探. 北京 科学出版社, 1991 5 中国科学院自然科学史研究所. 中国古代建筑技术史. 北京 科学出版社, 1985 6 倪士珠, 李源哲. 古建筑木结构用材的树种调查及其主要材 性的树种分析. 四川建筑科学研究, 1994, 1 11-14 7 陈国营. 古建筑旧木材材质变化及影响建筑形变的研究. 古 建园林技术, 2003, 3 49-52 8 曹旗. 故宫古建筑木构件物理力学性质的变异性研究 [硕士 论文]. 北京 北京林业大学, 2005 9 王晓欢. 古建筑旧木材材性变化及其无损检测研究. [硕士论 文]. 呼和浩特 内蒙古农业大学, 2006 10 徐明刚, 邱洪兴. 古建筑木结构老化问题研究新思路. 工程 抗震与加固改造, 2009, 312 96-98 11 Calderoni C, De Matteis G, Giubileo C, et al. Experimen- tal correlations between destructive and non-destructive tests on ancient timber elements. Engineering Structures, 2010, 32 442-448 12 陈志勇. 应县木塔典型节点及结构受力性能研究 [博士论 文]. 哈尔滨 哈尔滨工业大学, 2011 13 陈志勇, 祝恩淳, 潘景龙. 复杂应力状态下木材力学性能的 数值模拟. 计算力学学报, 2011, 284 629-634 14 尹思慈. 木材学. 北京 中国林业出版社, 2000 15 樊承谋, 张盛东, 陈松来, 等. 木结构基本原理. 北京 中国 工业出版社, 2008 16 李瑜, 瞿伟廉, 李百浩. 古建筑木构件基于累积损伤的剩余寿 命评估. 武汉理工大学学报, 2008, 308 173-177 17 瞿伟廉, 王雪亮.基于 DOL 强度衰减模型的古建筑桁架 的剩余寿命预测. 华中科技大学学报 城市科学版, 2008, 253 1-4 18 Wang X L, Qu W L. Reliability-based service life pre- diction of an ancient timber structure. 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Xi’an Univ. of Arch. b structural behaviour of key joints, such as Dou-Gong bracket, beam-column joint, and column-base joint; c structural perance of column frame; and d survey and uation of structural damage and corresponding reinforcement. Keywordsancient wood structure, dou-gong bracket, beam-column joint, column-base joint, tenon-mortise connection, structural perance 祝恩淳, 男, 生于 1963 年, 教授、博士生导师. 1984 年本科毕业于哈尔滨建筑工程学院工业与民 用建筑专业; 1