徽派木構(gòu)古民宅結(jié)構(gòu)分析
——以棠樾某民宅為例

邢凱峰，肖官衍，王小平，王公成，李紅艷

（1.黃山學院 建筑工程學院，安徽 黃山245041；2.西南交通大學-利茲學院，安徽 池州247100）

1 引 言

徽派木構(gòu)古民宅的水平構(gòu)件與豎向構(gòu)件多以半榫和透榫的形式進行拉結(jié)。其做法都是榫的穿入部分的長度至柱中部位，半榫相較于透榫的結(jié)構(gòu)作用較差。為了防止拔榫現(xiàn)象的發(fā)生，節(jié)點處多采取設置“關(guān)鍵”、替木或雀替的辦法予以解決。對既有材料的掌握和組織實施，使得中國建筑營造對于木結(jié)構(gòu)的應用愈加嫻熟至爐火純青，其成就令后人難望其項背[1]。

2 節(jié)點受力分析及其建模

2.1 節(jié)點計算模擬

徽派木構(gòu)古民宅木構(gòu)件的榫卯節(jié)點是半剛性連接，其變形介于鉸接和剛接之間。本文以棠樾某民宅為例，該民宅為典型的徽派木結(jié)構(gòu)建筑，受力結(jié)構(gòu)清晰可見，沒有多余的裝飾。這些規(guī)律與組合方式的受力分析可以從建筑靜力與結(jié)構(gòu)承重的角度出發(fā)[2]。

2.1.1 節(jié)點剛度

1.半榫（梁與中柱相交），X方向取1.0×1012kN/m，Y和Z方向均取1.41×104kN/m。

2.透榫（梁與邊柱相交），X方向取1.0×1012kN/m，Y和Z方向均取2.82×104kN/m。

2.1.2 杉木、馬尾松的強度和彈性常數(shù)

1.杉木、馬尾松的強度

木材按《規(guī)范》取杉木、馬尾松的順紋抗壓強度分別為10N/mm2和12N/mm2；杉木、馬尾松的順紋抗彎強度分別為11N/mm2和13N/mm2。

2.杉木、馬尾松的彈性常數(shù)，如表1。

表1 杉木、馬尾松的彈性常數(shù)

2.2 基本信息

該民宅建筑的一、二層平面圖及I-I 剖面圖如圖1所示。

圖1 一、二層平面圖及I-I剖面圖

2.3 作用于木構(gòu)架上的荷載

2.3.1 屋蓋的荷載

屋蓋荷載設計值：1.2×0.713+1.4×0.53=1.60 kN/m2

2.3.2 樓層的荷載

樓面荷載設計值：1.2×0.35+1.4×2.0=3.22kN/m2

2.3.3 構(gòu)件的尺寸（單位：mm）

其主要構(gòu)件尺寸分別為：頂層穿枋50×200，其他穿枋均為50×300；斗枋120×200；纖子150×250；房帖50×250；四周與墻體相連的柱直徑160，其余中柱直徑均為180；屋蓋和樓蓋梁均為150×300。

3 計算模型和結(jié)果分析

3.1 計算模型

該民宅木構(gòu)架的三維計算模型如圖2 所示，計算模型共有節(jié)點2522個，單元2285個，其中梁單元1336個、柱單元949個。

圖2 三維計算模型

3.2 計算結(jié)果及分析

3.2.1 內(nèi)力計算分析結(jié)果

該民宅木結(jié)構(gòu)的軸力圖和彎矩圖如圖3 所示，3/E柱軸力最大為30.65kN，中跨梁上的彎矩值最大為7.37kN·m。

3.2.2 位移計算分析結(jié)果

該民宅木構(gòu)架的整體位移和豎向位移如圖4所示。

圖4 整體位移和豎向位移圖

從位移圖中可以看出：1.底層連接中間兩根脊柱纖子的跨中位移最大，可以采取增大纖子截面尺寸的措施以提高結(jié)構(gòu)整體剛度，達到減小跨中位移的目的；同時，此處的彎矩也是最大的，可以采取減小纖子跨度，或?qū)⒗w子做成月梁式，并向上反拱的措施以達到減小跨中彎矩的目的；采取在纖子與柱相連處設置替木或雀替的措施，這樣既增大了支撐長度又增加了接觸面，以達到增強梁、柱節(jié)點剛性的目的。2.豎向位移明顯大于水平位移，脊柱的水平位移和軸力值均最大。脊柱在整個木構(gòu)架的作用是十分重要的，要保證木構(gòu)架整體不散架，整體結(jié)構(gòu)不倒塌，必須要保證脊柱是安全可靠的。

4 小 結(jié)

本文以棠樾某典型清代民宅為例，通過建模計算并對結(jié)果進行分析，從而得出徽派木構(gòu)古民宅木構(gòu)架通柱以水平位移為主，整體位移較小，提高榫卯節(jié)點剛度的同時也充分發(fā)揮了木材的力學性能。木構(gòu)架榫卯節(jié)點處設置雀替等增強節(jié)點的剛性，保證通柱中脊柱的可靠，可大幅提高結(jié)構(gòu)骨架的整體性。