古建筑木結(jié)構(gòu)抗震性能研究現(xiàn)狀探析

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摘要：通過對(duì)國內(nèi)木結(jié)構(gòu)抗震性能的研究分析，歸納并總結(jié)了木結(jié)構(gòu)房屋特點(diǎn)，榫卯節(jié)點(diǎn)加固抗震，木結(jié)構(gòu)抗震性能研究現(xiàn)狀和抗震措施，指出木結(jié)構(gòu)抗震性能需進(jìn)一步研究的重點(diǎn)，并結(jié)合中國汶川地震震害，總結(jié)其經(jīng)驗(yàn)，提出相應(yīng)的建議和意見，以使木結(jié)構(gòu)在中國更好的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：抗震性能；木結(jié)構(gòu)；榫卯

0引言

追溯中華民族生存的源泉，遵循古代沿襲的文化傳統(tǒng)，木結(jié)構(gòu)房屋便是中國古代建筑的遺產(chǎn)。木結(jié)構(gòu)房屋的基本結(jié)構(gòu)大致分為二種———框架結(jié)構(gòu)、重木結(jié)構(gòu)。由于木結(jié)構(gòu)房屋的許多優(yōu)良特性，并以其獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體系，成為東方建筑文化的巨龍，使在中國停滯了近半個(gè)世紀(jì)的木結(jié)構(gòu)越來越受到人們的青睞。我國是個(gè)地震多發(fā)的國家，各種震害的觸目驚心讓我們深思。本文主要對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑的抗震性能分析和研究的發(fā)展進(jìn)行討論，并對(duì)木結(jié)構(gòu)將來在中國的發(fā)展前景進(jìn)行展望。中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)通常采用具有半剛性并可以消解外力的榫卯進(jìn)行連接，使其有一定的抗拉壓、抗彎以及抗扭能力[1]。在地震發(fā)生之初，地震的顛簸使榫、卯之間相互擠壓，來回錯(cuò)動(dòng)，使剛節(jié)轉(zhuǎn)化成鉸接點(diǎn)，產(chǎn)生較大的塑性變形，以柔克剛，從而，更大地減輕了地震對(duì)結(jié)構(gòu)的損害。同時(shí)，斗拱結(jié)構(gòu)的巨大作用在中國古建筑減震工程中也是舉足輕重的，斗拱比榫卯連接具有更強(qiáng)的減震作用。斗拱在柱子和上部結(jié)構(gòu)之間，起著承接的作用，地震的破壞力通過斗拱，穿枋等多個(gè)接點(diǎn)進(jìn)行消解[2]。斗拱的柔性隨著地震的巨大推動(dòng)力發(fā)揮著獨(dú)到的作用，并且對(duì)結(jié)構(gòu)抗震非常有利。

1木結(jié)構(gòu)房屋的特點(diǎn)

古建筑中木結(jié)構(gòu)的承重構(gòu)件是木構(gòu)架，圍墻等附屬結(jié)構(gòu)在木結(jié)構(gòu)建筑中只起到圍護(hù)和隔斷作用。由于木結(jié)構(gòu)的所有構(gòu)件都由榫卯進(jìn)行連接，榫卯連接的柔性和變形是結(jié)構(gòu)耗能減震的主要原因，所以抗震性能特別好。木結(jié)構(gòu)房屋具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：①木結(jié)構(gòu)具有抗震優(yōu)勢(shì)。1）木材的彈性模量低，材質(zhì)輕，韌性大，所以有很強(qiáng)的彈性恢復(fù)能力，對(duì)于突然荷載和周期性荷載的來襲有很強(qiáng)的抵抗能力。2）木框架結(jié)構(gòu)有多根桿件和榫卯節(jié)點(diǎn)：通過各桿件和節(jié)點(diǎn)吸收地震能量，并有多種路徑可以釋放地震能。②木結(jié)構(gòu)房屋既節(jié)能又保溫：木材的保溫效果比混凝土和鋼材都好很多，木材的孔隙就是最好的隔熱體，所以具有很好的保溫性能。建造木結(jié)構(gòu)房屋就比用混凝土和鋼材節(jié)省材料和空間，要具有同樣的保溫效果，木材的厚度需要混凝土的1/15，而僅需要鋼材的1/400[3]。③恢復(fù)性好、木材資源可回收重復(fù)利用，取材方便并容易適應(yīng)各地的氣候條件。④施工工期短且施工技術(shù)簡便，設(shè)計(jì)靈活，維修方便。⑤建造成本低，耐久性好。

2木結(jié)構(gòu)抗震性能研究

在地震的震動(dòng)過程中榫卯節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)從剛性轉(zhuǎn)化為柔性，從而使剛節(jié)點(diǎn)變?yōu)殂q接點(diǎn)，破壞力即從地基開始向上傳遞，通過木框架結(jié)構(gòu)的很多構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)等多個(gè)輔助荷載通道來緩沖地震能量，當(dāng)破壞力傳到屋頂時(shí)，地震能基本已經(jīng)被下部構(gòu)件吸收掉，所以產(chǎn)生很小的破壞。湖南大學(xué)的黃曙，尚守平[1]通過對(duì)湖南西部農(nóng)村地區(qū)典型木結(jié)構(gòu)房屋模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，得出了如果結(jié)構(gòu)自振頻率較低，自振周期較長，說明該試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀捎谀静牡难有?、榫卯等?jié)點(diǎn)的作用使結(jié)構(gòu)整體剛度較小，柔性較大，因此可減小地震作用和加速度。谷軍明，繆升等[4]針對(duì)云南穿斗結(jié)構(gòu)房屋的特點(diǎn)和穿斗式木構(gòu)架進(jìn)行討論，最后得出穿斗木屋架和穿斗木結(jié)構(gòu)圍護(hù)墻體的抗震措施。高大峰、趙鴻鐵等[5]對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑中斗拱與榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。斗拱結(jié)構(gòu)模型的試驗(yàn)結(jié)果顯示，在地震反復(fù)作用下，榫卯節(jié)點(diǎn)發(fā)生滑移變形和彈塑性變形，榫、卯連接由于徐變的松動(dòng)，使剛度退化而減輕了結(jié)構(gòu)承受的地震作用，而斗拱本來就是起到減震耗能的作用其原因是當(dāng)?shù)卣饋硪u并連續(xù)不斷的振動(dòng)下，是鋪?zhàn)鳎炊饭埃┙Y(jié)構(gòu)層發(fā)生彈性變形和摩擦滑移。何玲等[6]對(duì)云南省近幾十年歷次大地震中村鎮(zhèn)木結(jié)構(gòu)房屋的震害進(jìn)行總結(jié)并提出了對(duì)于構(gòu)件強(qiáng)度不足的，穿枋應(yīng)貫通木構(gòu)架的每根柱子并且柱子不宜有接長（如圖1）。節(jié)點(diǎn)連接弱，需要加強(qiáng)榫的連接，并且檁條的平榫改為燕尾榫相連或交錯(cuò)搭接（如圖2）。對(duì)于結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的體系只需增加斜撐，設(shè)置穿枋增加橫向穩(wěn)定就可以解決等相應(yīng)的抗震技術(shù)措施。以上為前人提出關(guān)于木結(jié)構(gòu)抗震特點(diǎn)及相關(guān)解決措施，對(duì)于這些抗震性能的研究，他們給出了相應(yīng)的解決方法，同時(shí)也有很多不足，筆者認(rèn)為木結(jié)構(gòu)體系在地震的反復(fù)作用下，榫卯節(jié)點(diǎn)的晃動(dòng)使卯孔增大，從而減小了榫卯之間的摩擦力，榫卯之間失去了相互的擠壓，使榫頭拔出，喪失了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定致使結(jié)構(gòu)倒塌。所以在加強(qiáng)榫卯連接的同時(shí)，要既保持它的剛性，又要保持它的柔性，意大利研究人員[6]通過試驗(yàn)得知在其他條件相同的情況下，大柔度的結(jié)構(gòu)比剛性結(jié)構(gòu)更有利于抵抗地震，所以在設(shè)計(jì)木結(jié)構(gòu)建筑時(shí)應(yīng)盡量保證剛?cè)岵⑦M(jìn)，使榫卯節(jié)點(diǎn)的變剛性連接達(dá)到最佳效果。

3木結(jié)構(gòu)房屋抗震存在的問題及未來發(fā)展趨勢(shì)

由于木材易糟朽，而古建筑中木結(jié)構(gòu)建造已年代久遠(yuǎn)，所以這些已建造完的木結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能受很多因素影響。對(duì)于古建筑木結(jié)構(gòu)房屋現(xiàn)大多是歷史遺產(chǎn)，需要重點(diǎn)保護(hù)并要延長其使用年限以做歷史的見證。為此，我們的研究人員做了大量的分析和調(diào)查，最終得出以下結(jié)論

3.1木結(jié)構(gòu)房屋存在問題

①據(jù)統(tǒng)計(jì)，在地震中發(fā)生破壞的木結(jié)構(gòu)，木柱的高度都高于3米，而規(guī)范中早有規(guī)定，木柱木梁中的房屋高度不宜超過3米。②由于地震的上下左右顛簸，在長期荷載作用下，大部分木結(jié)構(gòu)古建筑的維護(hù)墻體產(chǎn)生徐變引起開裂。③由于年久失修和相應(yīng)的錨固措施沒有做好，部分建筑局部榫卯拔出，所以柱腳應(yīng)采用鐵件或其他措施與基礎(chǔ)錨固。④瓦面破壞和建筑物局部裝飾物有破壞。

3.2木結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)

自然健康和舒適放松是現(xiàn)代人們一直追求的，而木結(jié)構(gòu)正是人們所最需要的生存環(huán)境，并且木結(jié)構(gòu)房屋是抗震性能較好的結(jié)構(gòu)形式之一，對(duì)于未來木結(jié)構(gòu)的發(fā)展將繼續(xù)圍繞小城鎮(zhèn)建設(shè)，但由于我國森林資源匱乏，相關(guān)研究人員不足等原因，造成我國木結(jié)構(gòu)發(fā)展緩慢。伴著木結(jié)構(gòu)建筑在我國的再度興起和曾經(jīng)的輝煌，研究人員的不斷深入，抗震措施等一步步跟進(jìn)，木結(jié)構(gòu)建筑將會(huì)成為中國建筑史上的又一片綠洲。經(jīng)過多年的修復(fù)，我國森林面積已居世界第五位，擴(kuò)大森林面積不僅是為了改善生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也要培育優(yōu)良樹種，提高木材質(zhì)量，并合理采伐，使木材用到實(shí)處，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的效益。寶貴的森林資源應(yīng)良好利用，使之成為取之不盡，用之不竭的資源，這樣木結(jié)構(gòu)建筑一定會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。筆者希望可以借鑒現(xiàn)存的木結(jié)構(gòu)資料，回顧國內(nèi)外木結(jié)構(gòu)古建筑的優(yōu)點(diǎn)，并深入研究將木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展開來，為中國建筑事業(yè)增添一抹光彩。

4結(jié)語

通過對(duì)木結(jié)構(gòu)房屋的調(diào)查及研究，發(fā)現(xiàn)木結(jié)構(gòu)建筑還有很大發(fā)展空間，榫卯是傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)理論研究的關(guān)鍵，其節(jié)點(diǎn)性能和節(jié)點(diǎn)假設(shè)對(duì)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)穩(wěn)定研究具有重要意義。同時(shí)，木結(jié)構(gòu)建筑在大地震中吸收的地震力小，可以有效的減輕地震帶來的災(zāi)害，由于木材有很強(qiáng)的彈性恢復(fù)力，可以抵抗各種沖擊荷載和疲勞破壞。相信木結(jié)構(gòu)建筑將來會(huì)在中國建筑領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，成為可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃曙，尚守平.農(nóng)村典型木結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009.

[2]趙均海.中國古代木結(jié)構(gòu)的彈塑性有限元分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1999.

[3]謝啟芳，趙鴻鐵，薛建陽，門進(jìn)杰，王威.汶川地震中木結(jié)構(gòu)建筑震害分析與思考[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.

[4]谷軍明，繆升，楊海名.云南地區(qū)穿斗木結(jié)構(gòu)抗震研究[J].工程抗震與加固改造，2005增刊：205-210.

[5]高大峰，趙鴻鐵，薛建陽.木結(jié)構(gòu)古建筑中斗拱與榫卯節(jié)點(diǎn)的抗震性能[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào).西安，2008.

[6]何玲.潘文.楊正海.陶忠，等.村鎮(zhèn)房屋木結(jié)構(gòu)震害及抗震技術(shù)措施[J].工程抗震與加固改造，2006.

[7]姚侃，趙鴻鐵，薛建陽，等.木結(jié)構(gòu)古建筑的抗震性能分析[J].建筑科學(xué)，2007.

作者:李凌旭 單位:云南大學(xué)滇池學(xué)院建筑工程學(xué)院