中國古建筑木結(jié)構(gòu)力學研究

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前言

中國文化博大精深，流傳至今的文化當中包含了大量我國古人的智慧，古建筑可以說是當今世界上最偉大的創(chuàng)造發(fā)明之一，從古代起就以其舒適、優(yōu)美和實用等特點流傳至日韓等國。在當今世界經(jīng)濟飛速發(fā)展的背景下，中國古建筑已經(jīng)成為人類世界最寶貴的文化遺產(chǎn)之一。而古建筑中的古木結(jié)構(gòu)是最具特色的一種，中國古代的佛寺及觀音閣等都以古木結(jié)構(gòu)為主。現(xiàn)階段加強對該結(jié)構(gòu)的研究對于保護人類文化遺產(chǎn)具有重要的意義。近年來我國涌現(xiàn)出越來越多的學者從不同的角度對其展開研究，本文將從力學角度對其研究進展進行描述。

一、中國古建筑木材力學性能

青銅和石器時期，我國的木材資源相當豐富，當時的生產(chǎn)力和環(huán)境條件下，人們通過智慧運用木材來搭建房屋。經(jīng)過古人不斷的努力，他們意識到了木材搭建房屋的種種優(yōu)點，并逐漸將木結(jié)構(gòu)搭建房屋的技術(shù)和經(jīng)驗流傳了下來。但是值得注意的是，木結(jié)構(gòu)同其他結(jié)構(gòu)的建筑相同，在建造建筑時同樣也存在著許多問題。

(一)材性劣化

我國的木結(jié)構(gòu)古建筑經(jīng)過上千年的洗禮，至今為止已經(jīng)受到了各種不同的蟲蛀及腐蝕，其材性受環(huán)境的影響較大，劣化現(xiàn)象嚴重。在現(xiàn)階段的古建筑木結(jié)構(gòu)力學研究過程中，專家們最為關(guān)心的問題就是古建筑中的材性劣化問題［1］。近年來我國相關(guān)方面的專家針對木結(jié)構(gòu)的古建筑材性的變化進行了仔細的對比和研究，其中有對大概擁有九百年歷史的北岳廟大殿的研究和約有二百年歷史的易昌陵碑樓的研究。經(jīng)對比，專家們總結(jié)出木結(jié)構(gòu)古建筑受到環(huán)境和時間的影響比較嚴重，經(jīng)歷時間越久的建筑，它們的材質(zhì)更加脆弱，力學性能更加低下，雖然不同的樹木種類會使其產(chǎn)生不同的腐蝕程度，但是其變化的整體趨勢是相同的。最初我國對材性劣化的研究方法是應(yīng)用接種腐朽菌的方式，這種方法能夠促使木材腐朽速度加快，從而進行對比，得到想要的實驗結(jié)果，其結(jié)果表明不同的木材，其物理及化學性質(zhì)是按照一定規(guī)律進行衰變的。

(二)木材的各向異性

木質(zhì)材料最大的特點就是它的各向異性，我國在對木結(jié)構(gòu)的精細化有限元進行研究的過程中，專家陳志勇提出了本構(gòu)模型，該模型能夠充分反映出木材各項異性中的抗壓能力、彈性及二次應(yīng)變的硬化在橫紋承壓下的反應(yīng)等，以編制的方式在ABAQUS當中融入木材本構(gòu)模型，同時專家還將這一方式在易昌陵碑樓的受力性能研究中進行了充分的應(yīng)用，加強分析了對斗栱等受力性能的有限元。

二、關(guān)鍵節(jié)點斗栱的受力機理

我國古代建筑最主要的特點就是殿堂式，其通常擁有三層結(jié)構(gòu)。其中斗栱是鋪作層的關(guān)鍵受力節(jié)點。在現(xiàn)階段保護古代建筑的研究過程中，加強對斗栱受力機理的研究具有重要意義。中國古代建筑有眾多獨特之處，而斗栱就是最主要的特點之一，它最早產(chǎn)生于商周時期，距今已有三千年的歷史。在建筑當中它最大的作用就是過渡，是屋頂同柱架之間的部分，建筑屋檐需要靠其進行支撐，并促使柱子能夠直接承接屋頂?shù)闹亓浚部梢詫⑽蓓數(shù)闹亓肯绒D(zhuǎn)移到闌額上，之后再由柱子承接。

(一)宋式斗栱

在對斗栱進行研究的過程中，宋式斗拱具有重要的研究價值，在《營造法式》的基礎(chǔ)上，高大峰等研究專家專門制作了相關(guān)模型，以二等材料計心造八鋪為主，進行了水平和豎向兩種加載試驗，得出了斗栱模型在這兩種不同情況下發(fā)生的破壞和載荷以及其位移曲線。在對實驗的結(jié)果進行充分分析的基礎(chǔ)上，制定出了不同的模型，例如質(zhì)量彈簧阻尼器模型等。根據(jù)一系列的實驗及模型，最后得出了斗栱性能的結(jié)論，即其在兩個方向上都能夠體現(xiàn)出較高的抗震能力。事實上，鋪作層的關(guān)鍵節(jié)點是斗栱，加強對斗栱的研究有助于了解該層的受力情況。近年來宋式斗栱模型中的單朵和兩朵受到專家們的青睞，隋龔等專家加強了對這些模型的應(yīng)用，并進行了水平低周重復加載的研究，從而得出總結(jié)出不同鋪作在遭受破壞的過程中所受到的相同的外力情況，以及骨架和水平滯回的曲線狀況。通過對比和分析，他總結(jié)出水平的滑移對鋪作層的破壞最為嚴重，但是值得注意的是該水平滑移具有重要的作用，它能夠進行隔振和耗能，這對于木結(jié)構(gòu)的古建筑來說具有重要的作用;同時經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，平行四邊形是滯回曲線的主要形式，擁有相對飽滿的滯回面積，這一現(xiàn)象表明鋪作層當中最主要的特征就是滯回耗能較強。

(二)清式斗栱

近年來在清式斗栱的研究過程中，專家趙均海等主要以三種模型為主進行了實驗，有效測量了其動力特性和水平向重復加載。通過反復的實踐，最后發(fā)現(xiàn)了清式斗栱在不同方向上會發(fā)生的位移曲線，還加強研究了它的動力特征在不同邊界條件下產(chǎn)生的變化。還有專家運用了三維半剛性節(jié)點，這一單元模型可以按照全部結(jié)構(gòu)中自振頻率應(yīng)用Simplex手段定位模型的系數(shù)范圍。該模型是古木結(jié)構(gòu)整體受力性能有限元分析的重要理論基礎(chǔ)。

結(jié)論

近年來，世界各國經(jīng)濟取得了巨大的進步，人類的文明取得了極大的進步，在這種情況下，人們越來越注重對古代文化遺產(chǎn)的保護。在我國文化遺產(chǎn)當中，古建筑木結(jié)構(gòu)具有重要的保護價值。近年來，我國專家學者加強了對中國古建筑木結(jié)構(gòu)力學的研究，希望通過研究，對其進行有效的保護，促使我國古建筑文化得以傳揚，同時向世界展現(xiàn)出我國古代人類的智慧。隨著研究的不斷進展，專家們從材性劣化和木材的各向異性對中國古建筑木材力學性能進行了充分的研究，同時對宋式和清式斗栱的特征進行了深入分析。

作者：張潤澤 單位：河海大學