閩浙木拱廊橋結(jié)構(gòu)研究綜述

張錚，張博恒，繆遠(yuǎn)，李振,3

(1.福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，福建 福州 350118；2.福建工程學(xué)院 城鄉(xiāng)與建筑規(guī)劃學(xué)院，福建 福州 350118；3.壽寧縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局, 福建 寧德 355500)

木拱廊橋是一種“河上架橋，橋上蓋廊，以廊護(hù)橋，橋廊一體”的古老而獨(dú)特的橋廊類型，又稱“虹橋”和“虹橋式木拱廊橋”。而閩浙木拱廊橋是其中技術(shù)含量最高的一種，是我國古代木構(gòu)橋梁的杰出代表。閩浙木拱廊橋與傳統(tǒng)木構(gòu)橋相比，其獨(dú)特的編木形式不僅增大了橋的跨度，而且雙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使廊橋銜接緊密，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固精巧，受力更加合理。為此國內(nèi)學(xué)者對閩浙木拱廊橋展開了多方面研究，并取得一些成果。茅以升[1]、唐寰澄[2-3]、方擁[4]最早開始關(guān)注閩浙木拱廊橋，通過研究發(fā)現(xiàn)閩浙木拱廊橋和汴水虹橋結(jié)構(gòu)類型的相似性，論述了木拱廊橋的發(fā)展過程，結(jié)構(gòu)特征以及建筑史上的意義。之后，更多的學(xué)者對木拱廊橋進(jìn)行了更為詳細(xì)的研究和結(jié)構(gòu)分析，并從工藝傳承、營造技術(shù)、結(jié)構(gòu)受力、工匠團(tuán)隊等方面進(jìn)行了研究。

近年來，木結(jié)構(gòu)建筑受到學(xué)者越來越多的關(guān)注，特別是擁有特殊結(jié)構(gòu)形式的閩浙木拱廊橋，研究多集中于廊橋宏觀的文物保護(hù)、建筑特色和人文影響，分析其文化藝術(shù)價值和建筑構(gòu)造等，對廊橋結(jié)構(gòu)性能的研究大部分為整橋結(jié)構(gòu)，對廊橋節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動剛度和橫向荷載的傳力研究仍然不足，缺乏較為可靠準(zhǔn)確的計算方法和設(shè)計規(guī)范，不利于廊橋的保護(hù)修繕和設(shè)計建造。本文以閩浙木拱廊橋的營造特點(diǎn)為基礎(chǔ)，從結(jié)構(gòu)工程的研究視角，對國內(nèi)外閩浙木拱廊橋結(jié)構(gòu)性能的研究進(jìn)行綜述，探討此類廊橋結(jié)構(gòu)的受力體系、傳力路徑和影響因素，以期為今后此類廊橋體系在結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的科學(xué)研究與工程應(yīng)用提供參考。

1 閩浙木拱廊橋的構(gòu)造特點(diǎn)

閩浙木拱廊橋主要是由苗桿通過桿端的榫卯連接搭接而成的。以福建省寧德市壽寧縣犀溪鎮(zhèn)福壽橋?yàn)槔?見圖1)，第一系統(tǒng)由一排三節(jié)苗組成，是主要的受力構(gòu)件,第二系統(tǒng)由一排五節(jié)苗構(gòu)成。兩系統(tǒng)相互交織，共同受力，荷載通過苗桿傳到底部橋臺上。同一系統(tǒng)的苗桿通過牛頭傳遞內(nèi)力，牛頭側(cè)面鑿出卯口，苗桿端部鑿出榫頭與牛頭連接。為減小上橋坡度，架設(shè)橋板，兩側(cè)橋板苗與緊靠橋臺的將軍柱榫卯連接，中間其余的橋板苗搭接在將軍柱的畫眉梁上。

圖1 廊橋結(jié)構(gòu)[5]

在橋板苗與下部苗桿拱架之間架設(shè)“馬腿”傳遞橋板荷載。為增加廊橋側(cè)向剛度，架設(shè)剪刀苗，此種構(gòu)件類似框架結(jié)構(gòu)中的斜撐。廊橋上部搭設(shè)廊屋，這既可以遮風(fēng)避雨，給人們提供娛樂集會的場所也可以增加橋體重量，有利于提高廊橋的整體性和穩(wěn)定性。廊屋部分完成后，絕大多數(shù)廊橋會鋪設(shè)風(fēng)雨板避免結(jié)構(gòu)部分被雨水侵蝕。

2 閩浙木拱廊橋的材料性能

2.1 木材材性

木材是一種不均勻的各向異性材料，可看作是正交各向異性材料，由順紋縱向、橫紋徑向和橫紋切向3個互相垂直的材料主軸組成，3個方向物理力學(xué)性質(zhì)差異很大。木材順紋方向的抗拉、抗壓強(qiáng)度都遠(yuǎn)大于橫紋，所以木材適合做以軸壓為主的構(gòu)件，如傳統(tǒng)古建中的柱和閩浙木拱廊橋拱架結(jié)構(gòu)中的苗桿等。

楊娜[6]提出的只包含單一參數(shù)的纖維復(fù)合材料的本構(gòu)模型，在假設(shè)材料為各向同性的條件下，提出一種包含雙參數(shù)的彈塑性木材本構(gòu)模型。陳志勇[7]基于有限元軟件ABAQUS，模擬木材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能，并建立了能夠反映木材正交各向異性的彈性、抗拉、抗壓強(qiáng)度不等、受拉受剪時發(fā)生脆性破壞和受壓時發(fā)生塑性變形的本構(gòu)模型，見圖2。姜紹飛[8]考慮木材生長環(huán)境與長期荷載共同作用下的溫濕變形、蠕變、機(jī)械吸附蠕變以及塑性行為，推導(dǎo)并建立環(huán)境與荷載長期作用下的木材彈塑性模型。

圖2 木材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[8]

杉木的樹干通直，枝小節(jié)小，材質(zhì)軟，壓彎性能優(yōu)越，膨脹小，是閩浙木拱廊橋苗桿的主要材料，畢勝[9]從結(jié)構(gòu)受力、自然環(huán)境、人文因素等方面闡述閩浙木拱廊橋使用杉木做構(gòu)件的優(yōu)越性。陳瑞英[10]進(jìn)行了杉木間伐材和天然杉木的物理力學(xué)性能研究，對杉木的物理性質(zhì)、3個方向的抗壓強(qiáng)度、沖擊韌性和抗劈性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析。王展光[11]以黔東南的杉木為對象，進(jìn)行3個方向受壓、受拉和受彎性能的試驗(yàn)，研究表明，杉木的抗彎性能很差，順紋的抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量都遠(yuǎn)大于橫紋徑向和弦向的抗壓強(qiáng)度和抗壓彈性模量。在結(jié)構(gòu)受力方面，閩浙木拱廊橋拱架中的苗桿存在軸力，這充分利用了木材順紋抗壓、抗拉強(qiáng)度好的特點(diǎn)。

2.2 木材的老化與腐蝕

在廊橋長期使用過程中，木材由于長時間的風(fēng)吹、雨打或微生物的侵害而朽爛，物理性能降低，最終使木構(gòu)件破壞。很多學(xué)者對古建筑木材的老化腐蝕進(jìn)行了研究，閩浙木拱廊橋苗桿多采用杉木等軟木，徐明剛[12]對古建筑中的舊杉木與新杉木進(jìn)行材性試驗(yàn)，得出舊杉木內(nèi)部組織老化，各種物理性能衰減，與新杉木相比，舊杉木的橫紋抗壓強(qiáng)度、抗彎彈性模量、抗彎強(qiáng)度、順紋抗壓強(qiáng)度都有不同程度的降低。閩浙木拱廊橋牛頭是重要的節(jié)點(diǎn)構(gòu)件，多采用松木等硬木，陳國瑩[13]對應(yīng)縣古塔里的松木進(jìn)行材性試驗(yàn)，通過新舊木材的力學(xué)性質(zhì)比較，分析得出舊松木的橫紋抗壓和抗拉強(qiáng)度顯著降低，硬度和剪切模量有所增加，力學(xué)性能的下降最終導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的彎曲、劈裂、折斷。

木材受含水率影響較大，作為主要構(gòu)件的木材使用前會進(jìn)行露天曬干等方式控制其含水率，過濕會引起腐爛變形，過干也會引起龜裂松弛。新舊木材的強(qiáng)度隨著含水率的升高而降低，在一定范圍內(nèi)兩者基本呈線性關(guān)系[12]，根據(jù)木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[14]現(xiàn)場制作的圓木或方木結(jié)構(gòu)的含水率不應(yīng)大于25%。

廊橋殘損部位一般通過更換構(gòu)件或增加支撐強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，對于廊橋多處損壞腐朽的構(gòu)件，常常落架大修。廊橋構(gòu)件表面刷生桐油漆以此來延長使用壽命，橋面鋪設(shè)鵝卵石、磚塊，并在其下層鋪以石灰木炭等防潮材料，以此達(dá)到防火和防潮的目的[15]。

3 閩浙木拱廊橋結(jié)構(gòu)受力機(jī)理研究

3.1 荷載

(1)豎向荷載

廊橋承受的豎向荷載作用，包括廊屋靜荷載、橋面靜荷載、橋面活荷載等。

張鷹[16]提出了閩浙木拱廊橋在二維平面上僅考慮單榀三節(jié)苗、五節(jié)苗系統(tǒng)及其支點(diǎn)的受力狀態(tài)的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，明確表示了在均布荷載作用下，三節(jié)苗與五節(jié)苗系統(tǒng)之間的作用力。歐加加[17]建立了三節(jié)苗單系統(tǒng)、五節(jié)苗單系統(tǒng)和三節(jié)苗+五節(jié)苗系統(tǒng)的三維力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，對比后發(fā)現(xiàn)在均布荷載作用下三節(jié)苗+五節(jié)苗系統(tǒng)發(fā)生整體變形，變形使五節(jié)苗中牛頭與三節(jié)苗斜苗接觸處脫空不受力，在非均布荷載作用下，脫空現(xiàn)象會更明顯，降低了結(jié)構(gòu)利用率。若考慮輔助構(gòu)件馬腿，橋面荷載將會通過馬腿作用在五節(jié)苗中牛頭脫空的反方向，這樣不僅可以避免牛頭脫空，還可以分擔(dān)橋面荷載，提高結(jié)構(gòu)利用率。

閩浙木拱廊橋?qū)儆谳p型拱橋，不對稱荷載對廊橋結(jié)構(gòu)的影響很大。王柏生[18]對浙江景寧縣的東坑下橋進(jìn)行荷載試驗(yàn)，對橋體施以均布荷載，分析橋體關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的撓度變形，通過試驗(yàn)，得到東坑下橋的正常工作荷載，并通過有限元計算發(fā)現(xiàn)非對稱荷載對橋體的穩(wěn)定不利。季光耀[19]對閩浙木拱廊橋結(jié)構(gòu)的簡化模型進(jìn)行機(jī)動性分析，發(fā)現(xiàn)在對稱荷載下，廊橋是超靜定結(jié)構(gòu)，但是在不對稱荷載下，結(jié)構(gòu)未受荷一側(cè)牛頭與苗桿脫空，廊橋變?yōu)閹缀慰勺凅w，導(dǎo)致廊橋的剛度變小，容易失穩(wěn)。在非對稱荷載作用下，主拱結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生沿橋體方向的縱向位移，而且荷載作用側(cè)的位移更大[5]。淳慶[20]、劉妍[21]等人對浙江泰順的文興橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，發(fā)現(xiàn)文興橋橋板剛度不足，加上長期不對稱荷載造成了文興橋橋肩一高一低的大變形。所以在廊橋設(shè)計時以非對稱荷載作為變形控制荷載。

廊屋荷載通過梁柱傳到橋面板上，橋板苗連接到五節(jié)苗上牛頭，五節(jié)苗橫苗是橋板的一部分，如圖3所示。豎向荷載直接作用在五節(jié)苗橫苗和三節(jié)苗牛頭上，三節(jié)苗上牛頭的荷載通過三節(jié)苗下斜苗傳到墊苗木。五節(jié)苗苗桿通過牛頭連接傳遞荷載，輔助構(gòu)件馬腿將一部分橋面荷載直接傳遞到五節(jié)苗中牛頭，使五節(jié)苗中牛頭與三節(jié)苗斜苗緊密接觸，最終荷載通過五節(jié)苗下斜苗傳遞到墊苗木。墊苗木放置在橋墩上，荷載通過橋墩傳遞到地基里。在荷載傳遞過程中，節(jié)點(diǎn)除了傳遞軸力，是否還承擔(dān)一部分的彎矩和剪力，還需要通過實(shí)橋試驗(yàn)進(jìn)一步探究。

圖3 廊橋豎向荷載傳遞簡圖

(2)橫向荷載

廊橋承受的水平荷載作用，包括風(fēng)荷載、洪水荷載等。

閩浙地區(qū)沿海多臺風(fēng)，臺風(fēng)對于廊橋的影響主要集中在廊屋部分，廊屋位于廊橋最高處，所受風(fēng)力較大，風(fēng)荷載作用下，廊橋的破壞往往始于廊屋的非結(jié)構(gòu)部分。劉明暉[22]研究廊橋在風(fēng)荷載下的結(jié)構(gòu)特性，發(fā)現(xiàn)在水平荷載作用下，廊屋比橋體側(cè)移更大，跨中側(cè)移最大，剪刀苗可以顯著減小風(fēng)荷載作用下的廊橋側(cè)移。風(fēng)荷載作用下，還會形成使廊屋和橋面向上位移的頂推力，進(jìn)而使廊橋失穩(wěn)破壞。但是劉明暉的廊橋模型沒有考慮將軍柱和橋墩的作用，這可能導(dǎo)致理論分析橋板的豎向和橫向位移都很大。此外，廊橋還采用上窄下寬的側(cè)腳處理限制橋體側(cè)向變形。

洪水是各種自然災(zāi)害中對廊橋結(jié)構(gòu)影響最大的，其破壞集中在橋體部分，洪水作用下整體性差、構(gòu)件強(qiáng)度不高的廊橋極易倒塌。2016年，閩浙地區(qū)受臺風(fēng)“莫蘭蒂”影響，洪水沖毀了兩地區(qū)“國寶級”廊橋6座，廊橋的防洪保護(hù)刻不容緩。張璇[23]在不同頻率洪水作用下，對有無風(fēng)雨板兩種廊橋進(jìn)行分析，研究表明有風(fēng)雨板會大大增加廊橋所受到的側(cè)向力和豎向力。而且，洪水作用會削弱廊橋的自重效應(yīng)，使橋身上浮，構(gòu)件脫榫，最終導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的破壞和倒塌。此外，洪水的沖刷和浸泡還會直接或間接破壞橋墩地基，導(dǎo)致基礎(chǔ)位移，隨之上部結(jié)構(gòu)遭到破壞[24]。

風(fēng)雨板是木拱廊橋防風(fēng)防雨的重要部件，但在水平荷載下風(fēng)雨板對整體結(jié)構(gòu)是不利的，風(fēng)雨板增大了水平荷載的接觸面積，使原本抗側(cè)向力就很差的廊橋受到更大的水平力。所以，如何在風(fēng)雨板傳統(tǒng)樣式和改進(jìn)風(fēng)雨板利弊之間進(jìn)行取舍有待進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié)構(gòu)體系

閩浙木拱廊橋結(jié)構(gòu)體系包括三節(jié)苗、五節(jié)苗、橋板和廊屋4個受力系統(tǒng)，如圖4。三節(jié)苗作為主要受力構(gòu)件組成第一系統(tǒng)，五節(jié)苗作為第二系統(tǒng)與三節(jié)苗相互編織傳力，組成整個廊橋拱架。橋板一開始只被作為輔助構(gòu)件，劉妍[21]通過分析確立了橋板苗在整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定方面的重要性，并將其歸為第三系統(tǒng)，與三節(jié)苗或五節(jié)苗牛頭連接。廊屋作為閩浙木拱廊橋的第四系統(tǒng)搭建在橋面板上。閩浙木拱廊橋各個系統(tǒng)之間是否能夠協(xié)同受力是決定廊橋整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵。

圖4 廊橋結(jié)構(gòu)簡圖

3.2.1 三節(jié)苗+五節(jié)苗系統(tǒng)

唐寰澄[2-3]最早提出了木拱廊橋的兩個系統(tǒng)，并指出兩個系統(tǒng)之間的相互作用關(guān)系，如圖5所示。蘇旭東[25]對雙三節(jié)苗、三節(jié)苗+四節(jié)苗和三節(jié)苗+五節(jié)苗3種不同結(jié)構(gòu)形式的廊橋進(jìn)行分析，認(rèn)定三節(jié)苗+五節(jié)苗廊橋是現(xiàn)存廊橋最為成熟的結(jié)構(gòu)形式。楊艷[26]對福建省壽寧縣的溪南橋進(jìn)行有限元受力分析，發(fā)現(xiàn)荷載作用下廊橋與兩鉸拱的變形和受力非常相似，具有拱結(jié)構(gòu)的受力特征，可將閩浙木拱廊橋認(rèn)為是拱結(jié)構(gòu)。歐加加[17]通過有限元分析發(fā)現(xiàn)三節(jié)苗+五節(jié)苗系統(tǒng)不僅可以相互傳遞荷載，避免局部變形過大，并且增加了廊橋的整體性，通過三節(jié)苗和五節(jié)苗相互編織產(chǎn)生的協(xié)調(diào)變形共同承受外部荷載，三節(jié)苗或五節(jié)苗單系統(tǒng)的變形較大，有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。李小午[27]通過探究發(fā)現(xiàn)五節(jié)苗系統(tǒng)在協(xié)調(diào)廊橋結(jié)構(gòu)變形與內(nèi)力分布中有著重要作用，三節(jié)苗和五節(jié)苗雙系統(tǒng)相互編織，傳遞荷載，避免了應(yīng)力集中，增強(qiáng)了廊橋的結(jié)構(gòu)性能。呂偉榮[28]對浙江麗水九龍國家濕地九龍木拱廊橋進(jìn)行有限元分析，得出苗桿上存在軸力，彎矩和剪力很小，苗桿通過牛頭銜接相互交叉實(shí)現(xiàn)拱結(jié)構(gòu)機(jī)制。

圖5 三節(jié)苗+五節(jié)苗系統(tǒng)受力簡圖

3.2.2 橋板系統(tǒng)

橋板系統(tǒng)是閩浙木拱廊橋除三節(jié)苗系統(tǒng)和五節(jié)苗系統(tǒng)以外不可忽略的第三系統(tǒng)。橋板對三節(jié)苗和五節(jié)苗有顯著的分擔(dān)荷載的作用，即使在橋板苗和五節(jié)苗下牛頭之間使用馬腿分擔(dān)橋面荷載，橋板苗所承受的彎矩仍然大于三節(jié)苗和五節(jié)苗。對于沒有“馬腿”的小型拱橋，橋板苗的結(jié)構(gòu)作用將更加重要。季光耀[18]探討閩浙木拱廊橋主體結(jié)構(gòu)具有互承特性，通過分析幾何構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)廊橋是有限次的靜定結(jié)構(gòu)，橋板苗和廊橋主體結(jié)構(gòu)不同的連接方式會使廊橋轉(zhuǎn)變?yōu)樗沧凅w系或者幾何可變體系，即使拱架系統(tǒng)中出現(xiàn)腐蝕和裂縫等局部損傷，結(jié)構(gòu)的超靜定和良好的整體性使廊橋不至于毀壞。浙江泰順文興橋的橋板苗中間連接是三節(jié)苗牛頭，三節(jié)苗牛頭與五節(jié)苗上牛頭之間以短苗連接，見圖6(a),與傳統(tǒng)閩浙木拱廊橋橋板苗連接五節(jié)苗牛頭不同，見圖6(b)，這種做法導(dǎo)致橋板苗剛度嚴(yán)重不足，在長期非對稱荷載作用下，文興橋發(fā)生較大不對稱變形[20]。從廊橋結(jié)構(gòu)的演變過程來看，其本質(zhì)上是橋板系統(tǒng)和三節(jié)苗與五節(jié)苗系統(tǒng)的不同組合[21]。

圖6 橋板苗系統(tǒng)受力簡圖

3.2.3 廊屋系統(tǒng)

閩浙木拱廊橋橋板上搭設(shè)廊屋，除了防風(fēng)擋雨的作用外，廊屋對結(jié)構(gòu)受力也是有利的，結(jié)構(gòu)簡圖見圖7。劉建新[29]通過對與廊橋結(jié)構(gòu)相似的汴水虹橋進(jìn)行荷載分析，發(fā)現(xiàn)虹橋有廊屋比沒廊屋的苗桿軸力值增大了一倍，彎矩值減小了40%，進(jìn)一步分析表明，有廊屋的苗桿應(yīng)力值總體上呈減小趨勢。通過廊屋增大橋面荷載使苗桿基本處于受壓狀態(tài)，這也減小了榫卯節(jié)點(diǎn)受拉能力不足的缺點(diǎn)。閩浙木拱廊橋的廊屋大部分為重檐屋頂，這種做法不僅為了裝飾美觀和神佛祭祀，從結(jié)構(gòu)力學(xué)角度來看，橋面上的均布荷載會使橋面跨中發(fā)生向上撓曲的現(xiàn)象，向上撓曲處會產(chǎn)生負(fù)彎矩，這對于受力角度來說是不利的，所以加大橋跨中的荷載也在一定程度上減小向上撓曲現(xiàn)象，抵消跨中的負(fù)彎矩。所以，對于閩浙木拱廊橋這種輕型的拱式結(jié)構(gòu)，增加橋面均布荷載是有利于結(jié)構(gòu)受力的，非均布荷載作用下這種優(yōu)勢將更明顯。

圖7 廊屋系統(tǒng)

3.3 節(jié)點(diǎn)

牛頭是廊橋傳力的重要構(gòu)件，牛頭與苗桿之間采取榫卯連接，以燕尾榫和直榫為主。橋梁結(jié)構(gòu)領(lǐng)域?qū)﹂久?jié)點(diǎn)問題研究較少，但木結(jié)構(gòu)古建筑方面對榫卯節(jié)點(diǎn)有較多的研究。因此在資料不足的情況下，可以參考木結(jié)構(gòu)古建筑的榫卯節(jié)點(diǎn)研究成果。

在木結(jié)構(gòu)古建筑節(jié)點(diǎn)研究中，梁柱榫卯節(jié)點(diǎn)一般作為半剛度連接。趙鴻鐵[30-33]通過低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，探究燕尾榫、半榫、透榫的半剛性連接特性和剛度退化規(guī)律。趙均海[34-35]研究不同轉(zhuǎn)動剛度對西安東門城樓動力特性的影響。隋允康[36]、康敏[37]從轉(zhuǎn)動剛度和半剛性方面進(jìn)行了榫卯節(jié)點(diǎn)的有限元模擬，應(yīng)鵬杰[38]從材性方面對榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)化的有限元建模分析，李雙[39]進(jìn)行了榫卯節(jié)點(diǎn)接觸特性的研究。

閩浙木拱廊橋榫卯節(jié)點(diǎn)與傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)古建的梁柱榫卯節(jié)點(diǎn)并不完全相同，廊橋的部分榫卯節(jié)點(diǎn)搭接在下部苗桿，而且兩苗桿之間在榫卯連接處形成大于90°的夾角，牛頭上多處開口，對榫卯節(jié)點(diǎn)的受力、轉(zhuǎn)動剛度都可能產(chǎn)生影響，如圖8所示。所以在閩浙木拱廊橋力學(xué)性能研究中，張鷹[16]、淳慶[5]、劉妍[21]、李小午[27]、劉建新[29]等將廊橋的榫卯節(jié)點(diǎn)當(dāng)作鉸接處理。

圖8 三節(jié)苗結(jié)構(gòu)和五節(jié)苗結(jié)構(gòu)

此外，有學(xué)者進(jìn)行了廊橋鉸接和固接的比較研究。楊艷[40]進(jìn)行了閩浙木拱廊橋節(jié)點(diǎn)剛度的整橋試驗(yàn)，模擬廊橋節(jié)點(diǎn)的鉸接和固接形式，探究了鉸接、固接兩種節(jié)點(diǎn)形式的廊橋在不同荷載工況下的受力變形，研究發(fā)現(xiàn)非對稱荷載下鉸接對于廊橋整體的撓度影響比剛接更大。而且在不同荷載工況下，鉸接形式的廊橋的最大撓度是剛接形式廊橋撓度的2～5倍，因此不可忽略節(jié)點(diǎn)剛度對于廊橋受力變形的影響。

榫卯結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑中常常被當(dāng)作半剛性連接，所以歐加加[17]分析了閩浙木拱廊橋的廊橋節(jié)點(diǎn)剛度對于結(jié)構(gòu)性能的影響，通過廊橋節(jié)點(diǎn)的縮尺試驗(yàn)，分析得到節(jié)點(diǎn)剛度對廊橋的受力、變形有較大的影響，在非對稱荷載下節(jié)點(diǎn)剛度對廊橋構(gòu)件的變形影響很大，而且榫卯連接處同時是薄弱位置，在施工階段就要保證榫卯節(jié)點(diǎn)的牢固和剛度，使廊橋具有良好的穩(wěn)定性和承載力。呂偉榮[28]通過Sap2000有限元分析探究到木拱廊橋的三節(jié)苗和五節(jié)苗上牛頭的彎矩和剪力很大，應(yīng)保證牛頭節(jié)點(diǎn)處的剛度。

在節(jié)點(diǎn)加固措施上，熊俊峰[41]使用鋼木節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)廊橋節(jié)點(diǎn)，以此避免傳統(tǒng)榫卯節(jié)點(diǎn)開孔對構(gòu)件抗剪能力和剛度的影響，此種做法不僅提高了節(jié)點(diǎn)可靠度而且使廊橋修建高度標(biāo)準(zhǔn)化，提高了加工效率和安裝效率，降低了傳統(tǒng)榫卯節(jié)點(diǎn)營造技術(shù)對于傳統(tǒng)工匠的依賴，是廊橋節(jié)點(diǎn)加固的一種可行方案。

節(jié)點(diǎn)剛度對廊橋結(jié)構(gòu)的受力變形有顯著的影響，廊橋節(jié)點(diǎn)擁有其構(gòu)造的特殊性，在設(shè)計和后期加固維護(hù)措施上不能完全參照傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的榫卯節(jié)點(diǎn)，需要對此類廊橋獨(dú)特的節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行試驗(yàn)和有限元的進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

目前，閩浙木拱廊橋正在申請世界文化遺產(chǎn)，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和地方政府對遺留下來的廊橋也進(jìn)行了大量的研究和修復(fù)，近幾年民間也新建了大量的廊橋，深入開展廊橋的結(jié)構(gòu)性能研究已經(jīng)迫在眉睫。

1)廊屋等均布荷載對閩浙木拱廊橋的受力變形和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是有利的，但廊橋抵抗非均布豎向荷載和橫向荷載的能力較弱，風(fēng)荷載對廊屋的影響更大，如何提高廊橋側(cè)向剛度需要進(jìn)一步的研究。現(xiàn)階段缺少對于閩浙木拱廊橋水平荷載下的傳力分析以及地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力變形分析。

2)閩浙木拱廊橋結(jié)構(gòu)是比較成熟的結(jié)構(gòu)體系，有拱的受力特征，構(gòu)件中主要存在軸力，各系統(tǒng)之間相互作用，共同受力，擁有良好的受力特征。三節(jié)苗系統(tǒng)和五節(jié)苗系統(tǒng)相互編織是廊橋主要承重結(jié)構(gòu)，橋面系統(tǒng)加強(qiáng)廊橋整體的穩(wěn)定和剛度，廊屋系統(tǒng)加大橋面荷載，使廊橋整體結(jié)構(gòu)受力更合理。

3)三節(jié)苗系統(tǒng)與五節(jié)苗系統(tǒng)是閩浙木拱廊橋最主要的受力系統(tǒng)，目前，對廊屋和橋板系統(tǒng)以及非主體結(jié)構(gòu)的馬腿、剪刀苗等與主體受力系統(tǒng)之間相互作用的研究還不充分。為了達(dá)到更加良好的受力和變形性能，對閩浙木拱廊橋構(gòu)件的布置優(yōu)化需要一個完善的研究理論方法。

4)閩浙木拱廊橋的結(jié)構(gòu)多為宏觀角度分析，缺少榫卯節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、受力性能等細(xì)觀層次的分析。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑與閩浙木拱廊橋的榫卯節(jié)點(diǎn)并不完全相同，對于閩浙木拱廊橋的節(jié)點(diǎn)研究大多參考的是傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑中的榫卯節(jié)點(diǎn)，這不能恰當(dāng)?shù)胤从痴鎸?shí)的廊橋節(jié)點(diǎn)特性。需要對閩浙木拱廊橋榫卯節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和受力性能進(jìn)行更為系統(tǒng)的研究，探討理論分析的節(jié)點(diǎn)剛度與實(shí)際情況是否相符。

5)廊橋從開始修建到使用后的保護(hù)修繕，全靠以往的經(jīng)驗(yàn)積累，缺乏科學(xué)依據(jù)，這會導(dǎo)致資源浪費(fèi)和無法保證安全性?；诂F(xiàn)代結(jié)構(gòu)工程技術(shù)，給出廊橋體系的計算模型，并提出適用于廊橋的系統(tǒng)設(shè)計方法，這不僅是廊橋保護(hù)修繕的需要，也可對新建的廊橋進(jìn)行規(guī)范性指導(dǎo)。