中國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)抗震性能研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

李凌旭

摘要： 通過(guò)對(duì)國(guó)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(guó)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(jiàn)，以使木結(jié)構(gòu)在中國(guó)更好的應(yīng)用。

Abstract： Based on the analysis of the seismic performance of the Chinese wood structure， the characteristics of the wooden house， reinforcement by mortar joints and research status of seismic performance of wood structure and seismic measures are summarized， and the key content for further study of seismic performance of the wood structure is pointed out. Combined with Wenchuan earthquake damage， the experience is summarized， and the corresponding recommendations and suggestions are put forward to make wood structure better applied in China.

關(guān)鍵詞： 抗震性能；木結(jié)構(gòu)；榫卯

Key words： seismic performance；wood structure；tenon

中圖分類號(hào)：TU352.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）14-0145-02

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(guó)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(guó)停滯了近半個(gè)世紀(jì)的木結(jié)構(gòu)越來(lái)越受到人們的青睞。我國(guó)是個(gè)地震多發(fā)的國(guó)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(lái)在中國(guó)的發(fā)展前景進(jìn)行展望。

中國(guó)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(lái)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(guó)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(guò)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(lái)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(guò)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(jiǎn)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(guò)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(kāi)始向上傳遞，通過(guò)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(lái)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(guò)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(zhǎng)，說(shuō)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(lái)就是起到減震耗能的作用其原因是當(dāng)?shù)卣饋?lái)襲并連續(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(zhǎng)（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(guò)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(wèn)題及未來(lái)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(zhǎng)其使用年限以做歷史的見(jiàn)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(wèn)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(guò)3米。

②由于地震的上下左右顛簸，在長(zhǎng)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(kāi)裂。

③由于年久失修和相應(yīng)的錨固措施沒(méi)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(lái)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(guó)森林資源匱乏，相關(guān)研究人員不足等原因，造成我國(guó)木結(jié)構(gòu)發(fā)展緩慢。伴著木結(jié)構(gòu)建筑在我國(guó)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(guó)建筑史上的又一片綠洲。經(jīng)過(guò)多年的修復(fù)，我國(guó)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(shù)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(guó)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(kāi)來(lái)，為中國(guó)建筑事業(yè)增添一抹光彩。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)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(lái)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(lái)會(huì)在中國(guó)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。

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