中國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)力學(xué)研究進(jìn)展

摘要：在經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步的背景下，世界各國(guó)開始注重對(duì)寶貴文化遺產(chǎn)的保護(hù)。我國(guó)多種寶貴的文化遺產(chǎn)當(dāng)中，古建筑木結(jié)構(gòu)是非常重要的一個(gè)組成部分。時(shí)間飛逝，現(xiàn)階段我國(guó)應(yīng)積極加強(qiáng)對(duì)其的保護(hù)。本文將從宏琳厝古建筑木結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)斗栱的受力機(jī)理角度展開深入研究，希望對(duì)促進(jìn)我國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)的保護(hù)和深入研究起到積極作用。

關(guān)鍵詞：古木建筑結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能；受力機(jī)理

前言

中國(guó)文化博大精深，流傳至今的文化當(dāng)中包含了大量我國(guó)古人的智慧，古建筑可以說是當(dāng)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(shí)用等特點(diǎn)流傳至日韓等國(guó)。在當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背景下，中國(guó)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(guó)古代的佛寺及觀音閣等都以古木結(jié)構(gòu)為主?，F(xiàn)階段加強(qiáng)對(duì)該結(jié)構(gòu)的研究對(duì)于保護(hù)人類文化遺產(chǎn)具有重要的意義。近年來我國(guó)涌現(xiàn)出越來越多的學(xué)者從不同的角度對(duì)其展開研究，本文將從力學(xué)角度對(duì)其研究進(jìn)展進(jìn)行描述。

一、中國(guó)古建筑木材力學(xué)性能

青銅和石器時(shí)期，我國(guó)的木材資源相當(dāng)豐富，當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)力和環(huán)境條件下，人們通過智慧運(yùn)用木材來搭建房屋。經(jīng)過古人不斷的努力，他們意識(shí)到了木材搭建房屋的種種優(yōu)點(diǎn)，并逐漸將木結(jié)構(gòu)搭建房屋的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)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(shí)同樣也存在著許多問題。

（一）材性劣化

我國(guó)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(yán)重。在現(xiàn)階段的古建筑木結(jié)構(gòu)力學(xué)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(guó)相關(guān)方面的專家針對(duì)木結(jié)構(gòu)的古建筑材性的變化進(jìn)行了仔細(xì)的對(duì)比和研究，其中有對(duì)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(duì)比，專家們總結(jié)出木結(jié)構(gòu)古建筑受到環(huán)境和時(shí)間的影響比較嚴(yán)重，經(jīng)歷時(shí)間越久的建筑，它們的材質(zhì)更加脆弱，力學(xué)性能更加低下，雖然不同的樹木種類會(huì)使其產(chǎn)生不同的腐蝕程度，但是其變化的整體趨勢(shì)是相同的。

最初我國(guó)對(duì)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(jìn)行對(duì)比，得到想要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其結(jié)果表明不同的木材，其物理及化學(xué)性質(zhì)是按照一定規(guī)律進(jìn)行衰變的[2]。

（二）木材的各向異性

木質(zhì)材料最大的特點(diǎn)就是它的各向異性，我國(guó)在對(duì)木結(jié)構(gòu)的精細(xì)化有限元進(jìn)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(xiàng)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(dāng)中融入木材本構(gòu)模型，同時(shí)專家還將這一方式在易昌陵碑樓的受力性能研究中進(jìn)行了充分的應(yīng)用，加強(qiáng)分析了對(duì)斗栱等受力性能的有限元。

二、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)斗栱的受力機(jī)理

我國(guó)古代建筑最主要的特點(diǎn)就是殿堂式，其通常擁有三層結(jié)構(gòu)。其中斗栱是鋪?zhàn)鲗拥年P(guān)鍵受力節(jié)點(diǎn)。在現(xiàn)階段保護(hù)古代建筑的研究過程中，加強(qiáng)對(duì)斗栱受力機(jī)理的研究具有重要意義。

中國(guó)古代建筑有眾多獨(dú)特之處，而斗栱就是最主要的特點(diǎn)之一，它最早產(chǎn)生于商周時(shí)期，距今已有三千年的歷史。在建筑當(dāng)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(jìn)行支撐，并促使柱子能夠直接承接屋頂?shù)闹亓?，也可以將屋頂?shù)闹亓肯绒D(zhuǎn)移到闌額上，之后再由柱子承接[3]。

（一）宋式斗栱

在對(duì)斗栱進(jìn)行研究的過程中，宋式斗拱具有重要的研究?jī)r(jià)值，在《營(yíng)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(jì)心造八鋪為主，進(jìn)行了水平和豎向兩種加載試驗(yàn)，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(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)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(shí)驗(yàn)及模型，最后得出了斗栱性能的結(jié)論，即其在兩個(gè)方向上都能夠體現(xiàn)出較高的抗震能力。

事實(shí)上，鋪?zhàn)鲗拥年P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)是斗栱，加強(qiáng)對(duì)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(qiáng)了對(duì)這些模型的應(yīng)用，并進(jìn)行了水平低周重復(fù)加載的研究，從而得出總結(jié)出不同鋪?zhàn)髟谠馐芷茐牡倪^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(duì)比和分析，他總結(jié)出水平的滑移對(duì)鋪?zhàn)鲗拥钠茐淖顬閲?yán)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(jìn)行隔振和耗能，這對(duì)于木結(jié)構(gòu)的古建筑來說具有重要的作用；同時(shí)經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，平行四邊形是滯回曲線的主要形式，擁有相對(duì)飽滿的滯回面積，這一現(xiàn)象表明鋪?zhàn)鲗赢?dāng)中最主要的特征就是滯回耗能較強(qiáng)[4]。

（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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，有效測(cè)量了其動(dòng)力特性和水平向重復(fù)加載。通過反復(fù)的實(shí)踐，最后發(fā)現(xiàn)了清式斗栱在不同方向上會(huì)發(fā)生的位移曲線，還加強(qiáng)研究了它的動(dòng)力特征在不同邊界條件下產(chǎn)生的變化。還有專家運(yùn)用了三維半剛性節(jié)點(diǎn)，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(guó)經(jīng)濟(jì)取得了巨大的進(jìn)步，人類的文明取得了極大的進(jìn)步，在這種情況下，人們?cè)絹碓阶⒅貙?duì)古代文化遺產(chǎn)的保護(hù)。在我國(guó)文化遺產(chǎn)當(dāng)中，古建筑木結(jié)構(gòu)具有重要的保護(hù)價(jià)值。近年來，我國(guó)專家學(xué)者加強(qiáng)了對(duì)中國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)力學(xué)的研究，希望通過研究，對(duì)其進(jìn)行有效的保護(hù)，促使我國(guó)古建筑文化得以傳揚(yáng)，同時(shí)向世界展現(xiàn)出我國(guó)古代人類的智慧。隨著研究的不斷進(jìn)展，專家們從材性劣化和木材的各向異性對(duì)中國(guó)古建筑木材力學(xué)性能進(jìn)行了充分的研究，同時(shí)對(duì)宋式和清式斗栱的特征進(jìn)行了深入分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]周蓉.中國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)構(gòu)架力學(xué)性能與抗震研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2010.

[2]張風(fēng)亮.中國(guó)木結(jié)構(gòu)古建筑屋蓋梁架體系力學(xué)性能研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2011.

[3]蔣連接.古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)抗震與加固研究進(jìn)展[J].低溫建筑技術(shù)，2014，11：37-40.

[4]李瑜.古建筑木構(gòu)件基于累積損傷模型的剩余壽命評(píng)估[D].武漢理工大學(xué)，2008.

作者簡(jiǎn)介：張潤(rùn)澤（1997.12-），漢，男，單位：河海大學(xué)，研究方向：工程力學(xué)。