我國古建筑木結構性能探討范文

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摘要：研究了中國古建筑木結構的基本特點，認識到中國古代木結構的基本單元為矩形，構件之間的連接為榫卯連接．利用簡單的結構模型，對中國古代木結構的穩定性、在單個構件失效時的非敏感性以及良好的抗震性能做出初步論證．

關鍵詞：中國古代木結構；構架；基本單元；連接；穩定性

0引言

中國的木結構制作已有數千年歷史，別具特色構造精妙、結實牢靠，是中國的國粹［1－2］．相鄰的構件之間用榫卯連接，結構的基本的單元是矩形，這兩點是中國古代木結構，特別是中國古建筑的木制框架結構（見圖1和圖2）的基本特點．中國的木結構不僅在構件間的連接方式不同于源于西方的桁架結構，其結構的基本單元也不同于桁架結構．我們知道，桁架結構的基本單元是三角形，如圖3所示．桁架結構的基本單元之所以是三角形，是根據古希臘人所認識到的一個幾何學原理：三個邊長分別是確定的三角形，其形狀是確定的．因此，以三角形為結構單元的桁架結構的每一桿件都位于確定位置，這就是說以三角形為結構單元的桁架結構具有幾何學的穩定性［3－4］．中國古代木結構保持結構穩定性的原理不同于西方的桁架結構，但是，中國古建筑不僅完全能夠承受常規載荷（根據使用需要確定的載荷），即使是在非常規載荷（來自非使用需要本身的突然作用的強載荷，例如地震）作用下也可以保持結構的原有狀態［2，5］．實踐表明，中國古代木結構從力學角度上講具有穩定性．中國古代木結構保持結構穩定性的原理以及中國古代木結構在結構穩定性方面所具有的特點是值得探討的問題［5－6］．

1中國古建筑構架的形式及連接方式

中國古建筑多為木制框架結構的建筑，其結構可分為抬梁式及穿斗式兩種主要形式，如圖1和圖2所示．抬梁式結構的建筑成熟于春秋時期，穿斗式結構的建筑成熟于漢代．抬梁式結構是以柱上架梁，梁上安裝短柱，短柱上再架短一些的梁的方式組成．抬梁式結構的建筑，其室內少支柱或者無支柱，從而可使室內空間開闊，但是建造抬梁式結構的建筑需要用較大的木材、耗材量也較大.大型的和重要的中國古建筑（宮殿、廟宇等）幾乎都采用抬梁式結構建造，抬梁式結構在北方比較流行．穿斗式結構的柱子比較密，而柱徑略小，不設承力的梁，來自屋頂的載荷，直接作用于柱上，整體框架用“穿”貫于柱間形成．穿斗式結構的建筑減小了大木材的耗用，但是室內柱子密集，對房屋內格局的安排有一定妨礙．穿斗式的結構多見圖3一種桁架結構于南方民宅．抬梁式、穿斗式這2種木結構均采用榫卯連接，如圖4所示．木制結構中采用榫卯，在中國具有久遠的歷史，可以追溯到新石器時代，在距今約70000年的河姆渡文化遺址，人們發現了大量有榫卯結構的木制構件（見圖5）．抬梁式、穿斗式這2種中國傳統建筑的主要結構體現了中國古代木結構的基本特點［1－2］．可以觀察出，中國古代木結構的基本特點是：基本單元為矩形，主要的連接為榫卯．

2中國古代木結構保持形狀穩定的力學原理

圖6（a）展示的是一個由若干相互平行的短桿與兩個相互平行的長桿用直榫卯連接起來的基本單元為矩形的木制結構，該結構是最簡單的以矩形為單元用榫卯連接的木制結構，該結構可以比較明顯地體現以矩形為單元用榫卯連接的木制結構的力學特性．在圖6（a）所展示的結構中，假若任意一個矩形單元的形狀由矩形改變為非矩形的平行四邊形，根據平行四邊形的對邊必然相互平行的幾何性質，各個矩形單元的形狀都會發生變化，成為其它形狀的平行四邊形如圖6（b）所示，而每一單元形狀的變化必定會造成短桿兩端連接部位的榫以及短桿的基體（假若短桿較細）發生彎曲變形．由于各個短桿的基體及其上的榫都發生彎曲變形，于是會形成很大的使結構單元恢復為矩形的恢復力，所以對于以矩形為單元用榫卯連接的木制結構，其原有的各個基本單元為矩形的狀態是一種穩定的平衡狀態．根據對圖6所示的力學模型的討論，可以看出，中國古建結構其使結構保持固有位置的原理不是使結構不動，在理論上，其整體上可以微動，但是整體的固有位置是穩定的平衡位置，所以，從力學原理講中國古代木結構是一種形狀穩定的結構．這種穩定性決定了中國古代木結構對單個構件的失效具有非敏感性，并且具有良好的抗震性．

3中國古代木結構對單個構件失效的非敏感性

對于圖6所示的力學模型，假若有一短桿因斷裂而失去作用，僅僅是減少了結構的一個矩形，整個結構仍然是用榫卯連接的基本單元為矩形的結構，結構的外輪廓也仍然保持原有形狀如圖7所示．任意一個矩形單元的形狀由矩形改變為其它形狀的平行四邊形，也會使各個矩形單元的形狀都變為其它形狀的平行四邊形，各個短桿的基體及其上的榫也會發生變形，所以，仍然會形成很大的使結構單元恢復為矩形的恢復力．這一失效短桿所應承受的載荷被其余的保持效用的短桿平均承擔．這說明，中國古代木結構對于除了基干部件（例如大梁）以外的單個構件的失效具有非敏感的特性．這一特性使得很多中國傳統建筑在很多構件脫落、斷裂的情況下，仍然可以保持建筑的原有框架結構，并且具有足夠程度的承載能力，對中國古建筑維修時，例如在對應縣木塔以及北京故宮的多處殿宇進行維修時，人們都發現了這一點［7－8］．這一特性是現代的桁架結構所不能企及的［5］，我們知道，桁架結構的力學模型是由鉸鏈聯接的直桿所構成的二力桿系統．在經常的情況下桁架結構只要一桿失效，桁架結構就會因為失穩而迅速失效［3－4］．例如，對于圖5所示的這種被普遍采用的桁架結構，若其內部的一個腹桿失效，則所示的桁架結構成為內部自由度為1的四桿機構，若其中的一個弦桿失效，整個桁架結構就成為內部自由度為1的二桿機構，這種內部自由度大于零的可動的結構對荷載沒有抵抗能力，在荷載的作用下，結構內部發生相互運動，使得整個結構迅速失穩破壞［9］．在西方建筑的工程史上，不乏因為一個構件的破壞或者失穩而導致整個結構破壞的例證.

4中國古代木結構的抗震性

地震波存在沿豎直方向傳播振動的縱波以及沿水平方向傳播振動的橫波這兩種獨立的行波．因為建筑物更容易在水平方向的振動下破壞，所以相應所作的研究也比較多［10－11］．我們也針對沿水平方向傳播振動的橫波，用簡單模型（見圖8）討論中國古代木結構的抗震性．對于圖8所示的力學模型，存在水平地震波時，在上半周期（見圖8（a）），假設力學模型的左側下方A點受到地震水平波向右的作用，右側上方C點受到由障礙物所產生的向左方的作用力，于是力學模型向左方傾斜，基本單元及整體都成為向左方傾斜的平行四邊形；在下半周期（見圖8（b）），假設力學模型的右側下方D點受到地震水平波向左的作用，左側上方B點受到由障礙物所產生的向右方作用力，于是力學模型向右方傾斜，基本單元及整體都成為向右方傾斜的平行四邊形．當模型在隨同地震波作阻尼強迫振動時，阻尼的來源是榫與卯之間的摩擦，以及短桿的內摩擦．這兩種摩擦可以消耗傳遞給結構的能量，地震波所造成的結構的應變能相應減小，于是減小了結構破壞的可能性．對于一個實際的木構建筑，其框架結構有大量構件，并且各個構件之間都是用榫卯連接的，因此，通過榫與卯之間的摩擦，以及短桿的內摩擦所耗散的能量是很大的，這會大量削減由地震所造成的在結構內所儲藏的應變能，于是在相當大的程度上，減小了古建的框架結構在地震時破壞的可能性，地震往往破壞了古建的墻體，但是由于框架抗震性很強，仍然保持完好，所以對古建經常有“墻倒屋不塌”之說．有關文獻研究表明：古建筑木結構具有良好的抗震性能，同時，古建筑木結構良好的減震、隔震措施為現今解決結構隔震、控震問題提供了一條合理的途徑［5－6］.

5結語

中國傳統建筑的框架結構，由于其材質是木材，基本單元為矩形，連接為榫卯，這既使得結構的整體可以微動，又使得結構整體的固有位置是穩定平衡的，所以，中國古代木結構在力學上是一種穩定的系統，這種系統對單個構件的失效具有非敏感性以及良好的抗震性．中國古建筑的框架結構具有獨到的優異性能．

參考文獻：

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［10］高大峰，趙鴻鐵，薛建陽，等．中國古建木構架在水平反復荷載作用下的試驗研究［J］．西安建筑科技大學學報：自然科學版，2002，32（4）：318－323．

［11］姚侃，趙鴻鐵，薛建陽，等．木結構古建筑的抗震性能分析［J］．建筑科學，2007，23（7）：47－50.

作者：劉大為 單位：蘭州文理學院