对中国古建力学的思考.docx

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1、对中国古建力学的思考李豪邦中国建筑东北设计研究院 沈阳11 OOo6摘 要 文章对中国古建进行剖析后，认为中国古建的特点是结合瓦屋面 垫泥自重大的情况，使其柱、防 梁三类件刚柔相济地承载、抗风协同工作， 而对地震却有着更好的隔震效能，正因此，应县木塔才能历经千年，飓风不倒、 地震不塌，完整地保存到今天。关键词古建结构隔震应县木塔-XX.-1刖百中国古建绮丽多姿的风韵在国内众多的旅游景点是随处可见,她的风格已 远及日本、韩朝，甚至海外各处华人街市。古建重要的特征在于木构的屋盖， 不管双坡的硬山 悬山，多坡的歇山、 虎殿及至攒尖 重檐，其优美的曲线造 型轮廓，配以屋角起翘，纤细线条，轻巧玲珑、朴素

2、典雅。与西方古建相比， 给人以柔和雅丽的印象，更多美的享受。古建造型轮廓的构造内核是古建的承力结构。近百年来学术界对古建的重 视是时有倡导，特别是上世纪初中国营造学社的成立，曾做了大量的古建调研 实测，而对古建承力结构的受力探讨未能涉及。上世纪80年代拨乱反正之后 以北京古建研究所为主曾在古建结构构造处置细部的调研整理方面做了大量 细致工作，并形成了系统专著孙咒但在涉及深入到力学理论层面的、古建构 件的受力性能方面，那么由于古建结构隐含的特殊机理不为当今各类明确的结 构体系所纳，难以建模，故而一直无人问津。从历史角度来推敲、解读古建结构作品的形成特点，可以想象得出，今日 保存的古建是古代匠师，

3、师徒沿袭传承、 学纳外师技巧、一代接一代吸取经验 与教训1逐步改良 通过皇室等大型建筑集中多方经验，形成一段时间的法那 么，再不断改良开展营造出来的建筑结构作品。对这些作品，从今日技术角度 来看，由于当时缺泛科学理论引导，因之不难发现其中存有：材料运用不尽完 善节点处置不够完美恰当的缺乏之处。然而我们必须成认：历经上千年传承 下来的古建处置手法是出自历代众多的圣哲匠师的终生琢磨、运思献策 集思 广益，且经历了历代飓风与地震的考验，不断改良提练出来的当时最精练的精 湛技术。建于公元1056年的山西应县木塔至今傲然挺立，这有力地说明：中国古 建结构的处置手法虽然与当今依据力学理论优化设计的成熟做法

4、不完全符合， 但她66米高、四千多吨重，挺立950年的事实，反映了她必然绝对是符合结 构力学根本原理能到达强度有余、稳定足够的境地。从这个角度来看，中国古 建在力学机理上是存在尚未被同业人士可清晰认辩的深藏特殊机理及超越当 今的高明之处。针对当前现代建筑结构的技术进展，以其具有的力学理论深入 科技手段 广泛 用材类广且为大工业生产的综合强势、挤迫古建 湮灭古建单一用材、 手工生产效率低下的情况，我们当今国内结构同行应是责无旁贷地投入精力对 此项深藏的特殊机理澈底剖析清楚，这样才不愧对圣哲匠师的辛勤劳作，也有 利于保护古建并适度开展以对得起后代来者。-古建结构承传竖、风载的情况分析1.1 古建房

5、屋的构成一般分三部段，即台基屋身与屋顶。屋身皆为直立的木 柱、屋顶为颇多杆件组成的木构架。今参照文献1图2-2所示常用的硬山木 构架来看，望板承当屋面瓦 泥灰以及其上活载后，将其传给椽条脑椽、花 架椽 檐椽、飞椽，椽条又将荷载传给楝条檐檀、下金楝、上金楝、脊楝, 楝条接受荷载后，除檐楝 下金橡直接将其传给下面的柱顶外，而脊橡、上金 棋那么是将荷载通过瓜柱、三架梁传给举架底部的花梁上,再由花梁最终传柱。 这样，从传递竖载来看，当建筑布四排柱时，其主要的结构构件，除柱之外将 是花梁、檐檀和下金楝，它们都是置于柱顶将屋顶全部竖重直接传柱。从受力 角度来看，在竖载作用下屋顶构件的受力都是清晰的，椽、橡

6、、花梁的受力为 静定的受弯构件。柱属于轴压或偏心受压构件。对它们进行杆件内力计算及截 面应力及至确定截面都是方便的。1.2 作为地面以上的古建筑除了承当竖载之外，也必须考虑承受风载以及偶然 出现的地震作用。风载是地面以上空气流动形成的风压，它来的方向可以是随 意的四面八方，作用给墙面及屋顶坡面，几经传递最后作用给柱或墙，而后传 给根底。当建筑平面中布置轴线正交，柱与墙规格匀称时，风力的传递不管风 向如何皆可根据力学中力的分解原那么，分解为相互正交并平行于建筑中墙面 的力来分别传给双向的墙体来承当，此时柱对水平风力将承当很少甚至不承 当，对低层的砖结构建筑，由于墙量较多，抗风能力大有富裕，故常对

7、风载 略而不计。这样看来对古建中无墙的亭、榭类建筑，以及房屋一侧全开门窗 的建筑，其对柱的抗风能力就必须给予妥善解决。1.3 观测木柱的根部，其底端为一石制柱础或称柱顶石，在柱础正中凿一 卯孔又称海眼。加工柱时将其底做出一凸梯，安装时使凸棒插入卯孔。显 然这种古代木结构的合理做法和当今现代结构的碎柱底甩筋锚入根底，或钢柱 底周边外采用长地脚螺栓锚入碎根底的做法，从力学角度衡量二者差异是很 大。假设不考虑上部结构具有对柱约束其倾倒作用的存在，那么对砂柱、钢柱 顶端施加水平力是可以允许理由是砂柱、钢柱为刚性嵌固于根底的悬臂状态。 而木柱底部为较接，凸梯虽可承受剪力，但不能承当出现于柱根的弯矩，一旦

8、柱顶施加水平力，那么木柱必然倾倒。1.4 观测木柱的顶端可看出，柱顶一般是存在双向多层水平杆件的相互交搭。今以四排柱布局的硬山明间的檐柱与金柱参见文献1中图2-2、图2-3来 说：檐柱顶在纵横双向有檐檬、抱头梁与柱三向交搭檐檬位在抱头梁之上;金柱顶在纵横双向有金橡，棺梁与柱三向交搓橡在沱之上，此种交搭当相 接面为平面时，按力学原理来看，该相接面之间仅可传递竖向重力，水平剪力 可借助磨擦产生，而对弯矩那么在柱顶不变弯情况下是无法出现。1.5 再观测木柱顶端的下层：在花梁之下有随梁松，在金橡、檐檬之下有金防、 檐杨，有抱头梁之下有穿插防。这些杨件的用料与其上对应平行的梁件用料有 时少有减少，但其与

9、柱的连接那么皆采用燕尾樟。由于燕尾棒的构造特点是棒 呈楔形，安装时由顶落入卯槽就位，对柱头可拉可推，这种连接做法与防件之 上的，梁件与柱连接的性能比照是大有改善，它可以传递一定的水平力及至弯 矩，这对柱的倾倒是有着约束作用。- 燕尾梯在杨与柱连接节点中作用的力学概念分析图1所示为防件与柱的连接做法，其中绘出了节点 平面立面及构件端燕尾椎大样的投视。从图中我 们运用结构力学根本原理进一步思考可看出节点 受力的以下几点：2.1 当防件受拉时，对防件的最不利受力面将发生 在ABBA面上，当拉应力值超过该截面的极限强度时，该截面将出现断裂。对 立柱而言其不利的受力面是当拉力通过磨擦剪切作用给柱的FBB

10、1F1平面而后 有可能引发起始于樟前角E、F点处立柱木纤维拉裂劈开缝FH及EG5并沿该线上下扩展一定长度到H3、H2o2.2 当防件受压时，由于樟端面EFFE与卯口内壁做不到密合，故构件对柱的 压力很可能是通过卯口外的BDDB及ACCA面上防端与柱面的接触挤压进行传 递。 图12.3 当枕件端受弯时，由结构力学原理知：枕件受弯截面的中部会有一中和轴 线，该线上下截面的应力相反，一侧上或下受压那么另侧下或上受拉, 而且截面上最大应力产生在截面的上 下边缘处。据此推理，此时构件端燕尾 梯的受力情况将是在受拉的上或下面两侧边缘处禅侧面与柱卯口侧面顶紧 挤实到用磨擦剪力传递拉力，而其承压的下或上面两侧

11、，那么棒侧与柱卯 口侧面脱离，此时该处的压力传递改由樟根外的防的两侧余留面BDDB及 ACC1A1J的下或上边缘挤压柱外表来提供。2.4 可以想象得出，上述燕尾椎的受弯工作是存在有木构造的自身结构特点。 首先，樟上或下缘顶紧卯口侧是需要出现变形来产生的。其次是杭件下或 上缘顶紧柱外表也将产生相应的变形。以上两变形的结果会造成防件轴线相 对于柱轴线出现转动的角变形，即对枕件与柱的原有夹角出现或缩小，或放大 的现象，这在实际中就是出现柱身歪斜。由于此变形是出现在梯卯受力起步阶 段，今称此变形为“起步变形，其实质是构件就位拼装时由难以防止的松弛 态进入受力态之间的变形，今令此变形用柱顶位移量S表示，

12、那么杨端棒只 有出现S之后才受力工作产生对柱的约束。此变形虽然仅是在受弯起步时产 生，而当其后受力增大过程内，只要不出现反向受力及超限负荷情况那么是可 以根本保持夹角不再变动。但此夹角变动反复负荷时变动更明显的现象是 和结构力学对框架节点的定义节点是刚结、梁与柱二者要转动一齐转动，但 二者相对不动相违背的。基于此可认定木构柱防间燕尾梯连接不能等同钢结 构 钢筋混凝土结构的框架节点。同时也应看出：防柱夹角的变形导致柱歪是不利于结构的受力与使用，对此“起步变形令其为零属不可能，但应力求减 小才适宜。三古建木构架抗风的力学机理分析3.1 根据当今结构力学的观点：柱底为不动钱的构架 如假设柱顶没有强有

13、力 的支顶拉接如长向砖墙或斜撑，同时柱顶构件不能提供限制柱侧倾的约束 力矩时，那么该构架柱在受到水平外力作用下是必然会全部倾倒。今结合古建 木构架的实际状况，由于它存在柱顶枕件并以燕尾棒作法与柱连接，如以上分加麦渺位续倾倒变形。依此来看风力作用下的防件与柱，由于构件是左右两端支于柱顶 左右柱长不变，那么构件就不会出现转动，但 对柱来说，由于柱顶在风力作用下会出现柱顶移位，但柱底不动，这就使柱产 生少许侧倾变形，此变形将使柱与构件的夹角带来变化，这就形成了 “起步变 形，随之引发防件端棒对柱出现约束力矩以防止柱侧倾的扩大。此项约束力 矩是同时出现在防件两端，且两端约束柱身转动的方向相同示如图2。

14、该 约束力矩Mf传给柱后，将与柱底相应承当的剪力VI所引发的柱顶弯矩VIH相 互平衡。对此可列式如下：Mf v1.h1 1式中：V1对应Mf可允许的柱底剪力；H1由柱底到防件中心的高度；Mf防件端榨可承当的力矩，对其量值的计算可如下进行。图2c今设杨件受力时,其承当的弯矩是使顶面受拉， ?二那么在图1的CABDDBAG面上的应力分布根据概念推理将如图3所示，图内 于截面高度的中部大片应力为零，这是考虑存在起步变形的情况所致假设视 截面为连续弹性体，那么仅是在截面中部的中和轴处应力为零。针对图3的 应力分布，我们对松件端樟根截面的受力可近似取上部拉力总和F为：F=O. 2H - b1. 1 ft

15、=0. 22 Hbft2式中：H - b为防件截面高及梯根顶面宽示如图3。为木材顺纹抗拉强度设计值，可根据用材树种参照国家标准 GB50003-2003J取用,对K前的1.1系考虑木材高韧性,局部受力暂用的 提高系数日后经试验可作修改。由于截面上下属力偶抗弯 下部压力之和 亦为F,这样，樟根允许承当的弯矩Mf可暂如下：图3Mf=F 0.8H=0.8H 0.22Hbft=0. 176bH2ft33.2 对樟连柱防木构架具有“起步变形的特点来看，其对木构架的受力工作 将是引起柱顶位移的加大。位移加大一一这对钢筋混凝土框架及钢框架来讲是 属不到因素，按现行标准必要时要求在结构设计计算中考虑P 效应，进行 二阶弹性分析。对木构古建从现实来看，构架的梁件相梁、檀是简支浮放 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，另角升起示如图4。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伟改为由柱底面斜下角此角与柱顶的升起角 为斜对下传。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；应认为是一项对柱顶作用的约束力矩。今命此柱顶底传力移位的