淺論藏式古建木結(jié)構(gòu)構(gòu)造及加固措施

張 曉

（西藏民族大學(xué)信息工程學(xué)院， 陜西 咸陽(yáng) 712082）

1 構(gòu)造特點(diǎn)與傳力機(jī)理：

藏式古建筑以其形式多樣的色彩、或濃或淡的手筆以及豐富深厚的文化底蘊(yùn)與我國(guó)的高海拔地區(qū)的藍(lán)天白云、廣袤雄渾形成了濃烈而又神秘的融合。藏式古建筑主要以白、黑、赭紅、金黃四種顏色呈現(xiàn)，外觀裝飾華麗[1]。藏式古建能夠?qū)⑹呐c木材完美結(jié)合。藏式古建木結(jié)構(gòu)講究做工精湛、色彩艷麗，以中國(guó)傳統(tǒng)的紅色為底蘊(yùn)，其上配有或雕刻或鏤空的各色圖案，顏色搭配豐富，反映出我國(guó)優(yōu)秀的藏族文化特征。藏式古建筑形式最大的特點(diǎn)在于外墻收分，由多個(gè)單體結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，平面內(nèi)多采用上下貫通的“井”式墻體。藏式建筑基礎(chǔ)較淺并采用石材加固（如布達(dá)拉宮采用地壟形式）。古建筑木結(jié)構(gòu)的豎向承重體系由西藏地區(qū)力學(xué)性能較好的藏青木柱所構(gòu)成，梁柱采用雀替（由墊木和弓木組成，如圖1）連接，可以減小實(shí)際受力過(guò)程中節(jié)點(diǎn)的局部破壞。同時(shí)，對(duì)于多層建筑，如圖2，木柱并非是從上而下直線貫通，每層柱下設(shè)有石材基礎(chǔ)（柱礎(chǔ)）承重，當(dāng)首層建筑施工完畢后，在其樓蓋上對(duì)應(yīng)位置設(shè)置二層柱礎(chǔ)，并逐步進(jìn)行二層柱子和墻體的施工。樓蓋部分為土泥結(jié)合的形式。首先在豎向承重構(gòu)件的上面密鋪圓木或半圓木，接著為碎石和卵石密鋪，起到透氣的效果，第三道鋪筑泥制墊層，最后用較厚的阿嘎土密封屋頂并通過(guò)瓦材做裝飾。整個(gè)木結(jié)構(gòu)傳力明確，線路清晰。

圖1：藏式古建木結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)圖

2 梁柱節(jié)點(diǎn)受力特征

2.1 豎向作用下的傳力機(jī)理及破壞特征

藏式古建木結(jié)構(gòu)的受力性能主要取決于梁柱節(jié)點(diǎn)的性能。梁柱節(jié)點(diǎn)采用暗銷連接，在建筑物使用的過(guò)程中，木梁將本層樓蓋及其上部荷載傳給下部構(gòu)件，是典型的上部受壓下部受拉構(gòu)件。弓木沿順紋方向受彎，根據(jù)構(gòu)件長(zhǎng)度的不同，分為上部受拉或者下部受拉[2]。墊木多為上部受拉，櫨斗為橫紋承壓構(gòu)件，柱為順紋承壓構(gòu)件[3]，暗銷在整個(gè)木結(jié)構(gòu)受力的過(guò)程中起到承壓和抵抗剪力的作用。

梁柱節(jié)點(diǎn)在整個(gè)受力的過(guò)程中，隨著作用的增加、時(shí)間的變化和材料的老齡化，各木材構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生干縮裂縫，暗銷漸漸松動(dòng)，各受彎構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生明顯變形，且部分表面局部受力處會(huì)因風(fēng)化或較大應(yīng)力產(chǎn)生破裂，當(dāng)受力過(guò)大時(shí)，墊木甚至?xí)度霗径分畠?nèi)，櫨斗發(fā)生劈裂破壞。當(dāng)梁柱節(jié)點(diǎn)處平面內(nèi)出現(xiàn)偏心時(shí)，節(jié)點(diǎn)處將發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，且節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與弓木與墊木的長(zhǎng)度正向相關(guān)，弓木和墊木內(nèi)暗銷的受剪變形較大。

2.2 動(dòng)荷載作用下的性能特征

藏式古建筑木結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下受力較為復(fù)雜。楊娜研究發(fā)現(xiàn)：梁柱節(jié)點(diǎn)在反復(fù)循環(huán)荷載作用下的滯回曲線呈“捏縮”形狀，木節(jié)點(diǎn)的彈性較好，骨架曲線成 S型，在受力過(guò)程中產(chǎn)生了大的變形，結(jié)構(gòu)的剛度隨著荷載的增加而下降，具有良好的耗能能力。由此看來(lái)藏式古建筑木結(jié)構(gòu)在抗震中不僅可以產(chǎn)生較小的慣性力，同時(shí)還可以通過(guò)柔性化的梁柱減小整體結(jié)構(gòu)的剛度，增大了結(jié)構(gòu)的耗能。

3 加固改造思路

藏式古建筑木結(jié)構(gòu)在使用的過(guò)程中不僅要做好材料本身的防腐防蟲(chóng)蛀的保護(hù)措施，同時(shí)也要保持建筑造型和民族文化特色。對(duì)于持久荷載下的舊藏式建筑木結(jié)構(gòu)可能存在已下問(wèn)題：1）非受力引起的干縮裂縫；2）構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)承載力不足產(chǎn)生的裂縫；3）變形過(guò)大。

對(duì)于干縮裂縫，一部分是由于非受力作用引起的，可以通過(guò)定期涂刷油漆或外表材料（前提是不破壞藝術(shù)性和使用性能）來(lái)進(jìn)行改善；例如，木柱柱身的貫通裂縫可以采用鐵箍或嵌入銀錠來(lái)加固。

另一部分是由于承載力不足所引起的。①對(duì)于梁來(lái)言：中和軸附近的縱向裂縫是由于梁截面剪應(yīng)力超過(guò)了截面抗剪承載力所致，梁立面上多條平行裂縫是由于兩端產(chǎn)生相對(duì)位移所致，梁底出現(xiàn)直裂縫可能是暗銷處沿Z向的拉應(yīng)力所致，梁端處或構(gòu)件的交接處由于局部應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生裂縫。②對(duì)于弓木和墊木，由于變截面處的剪應(yīng)力過(guò)大，可能會(huì)產(chǎn)生水平裂縫，沿厚度方向的壓力分布不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致底部的裂縫；同時(shí)由于荷載的不均勻和初始缺陷，可能會(huì)出現(xiàn)雀替歪閃的現(xiàn)象。③對(duì)于木柱：櫨斗處在變截面處，局部壓應(yīng)力過(guò)大會(huì)產(chǎn)生微裂縫甚至是劈裂等現(xiàn)象。柱腳處在柱礎(chǔ)之內(nèi)，由于濕度的增加會(huì)加大了受潮污損的可能性，加之柱身的扭轉(zhuǎn)增大了柱腳與柱礎(chǔ)的摩擦力，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致柱身的失穩(wěn)。對(duì)于承載力不足引起的破壞可以通過(guò)外包纖維布或木材、設(shè)置加勁肋、外包鋼板等方法進(jìn)行加固。采用木材設(shè)置加勁肋的方式對(duì)構(gòu)件的外觀整體影響較大，對(duì)于次要的古建筑木結(jié)構(gòu)可以采用；外包碳纖維布對(duì)梁柱構(gòu)件可以從抗彎抗剪的應(yīng)力應(yīng)變和撓度上得到一定的改善，根據(jù)不同的破壞性能采取不同的粘貼方式，可以更加靈活方便地改善舊古建筑木結(jié)構(gòu)的受力性能。

當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的變形時(shí)，不僅單一構(gòu)件的力學(xué)性能有所下降，對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)可能破壞了協(xié)調(diào)關(guān)系，出現(xiàn)過(guò)多的局部集中應(yīng)力等現(xiàn)象。例如，①隨著荷載的增加，墊木可能會(huì)產(chǎn)生優(yōu)先于結(jié)構(gòu)整體破壞的剪切變形；②木柱的扭曲和雀替的歪閃。因此，當(dāng)結(jié)構(gòu)的變形過(guò)大時(shí)，要定期的檢測(cè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度退化情況，在不影響適用性能的前提下增加約束數(shù)量。通過(guò)外包鋼板的方法可以減小梁跨中撓度約20%-30%，改變整個(gè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，是結(jié)構(gòu)的受力變形處在一個(gè)新的、更加安全合理的狀態(tài)。

4 小結(jié)

現(xiàn)階段研究表明：藏式古建木結(jié)構(gòu)不僅是珍貴絢麗，底蘊(yùn)豐富、文化厚重的藝術(shù)品，同時(shí)結(jié)構(gòu)的變形性能較好，傳力方式較為合理。由于舊古建木結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間和使用環(huán)境的共同作用出現(xiàn)了不同損傷，因此，“如何在不破壞藝術(shù)性的基礎(chǔ)上保證它的安全可靠性”這一問(wèn)題成為國(guó)內(nèi)很多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)。大量的真型與仿真實(shí)驗(yàn)關(guān)于藏式古建木結(jié)構(gòu)的加固研究主要集中在“如何提高單個(gè)構(gòu)件的撓度變形”、“如何用新型的材料提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)及變形性能”等。但是存在以下幾個(gè)方面可能需要更多的學(xué)者關(guān)注，如不同種木材料（如藏青楊、樟子松）結(jié)構(gòu)采用不同的加固方式對(duì)應(yīng)的二次破壞特征有何區(qū)別、柱體與柱礎(chǔ)的施工方法方式對(duì)柱體破壞情況和結(jié)構(gòu)整體變形的有何影響、人群荷載對(duì)木結(jié)構(gòu)靜力和動(dòng)力性能有何影響等等?？傮w來(lái)說(shuō)，對(duì)于藏式古建木結(jié)構(gòu)，研究比較成熟，但其作為具有文化意義、民族特色建筑藝術(shù)品應(yīng)該受到更多的保護(hù)和更加深入的研究。

[1]邊巴，李文博. 談尼洋河風(fēng)光帶藏式建筑裝飾[J].山西建筑，2014，40（3）：224-225.

[2]楊娜，閆會(huì)春. 典型藏式古建木構(gòu)梁柱連接傳力機(jī)理分析[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，36（4）：76-81.

[3]楊娜. 藏式古建木構(gòu)梁柱連接力學(xué)性能試驗(yàn)研究及有限元分析[D]. 北京交通大學(xué)，2011.