古建筑木結(jié)構(gòu)殘損構(gòu)件的模型試驗(yàn)研究

◇聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院 侯玉嶺 趙慶雙 孫麗月

現(xiàn)存古建筑的殘損問題十分普遍，通過模型試驗(yàn)對(duì)古建筑殘損進(jìn)行研究分析已成為當(dāng)今研究學(xué)者的主要研究思路。本文收集了針對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)殘損構(gòu)件的主要模型試驗(yàn)，介紹在古建筑殘損方面的研究進(jìn)展，總結(jié)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的因素，并提出一些相關(guān)的看法和建議。其可為今后進(jìn)行模型試驗(yàn)的研究人員提供參照，從而得出可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

古建筑是中華民族的瑰寶，是我國(guó)古代工匠高超的建造技藝體現(xiàn)，是我國(guó)傳統(tǒng)文化的具體體現(xiàn)，是研究我國(guó)歷史的重要資料。我國(guó)的古建筑主要是木結(jié)構(gòu)建筑，因木材具有獨(dú)特的受力性能而流傳至今，但是木材會(huì)因外界環(huán)境的影響受到微生物的腐朽作用，加上木材經(jīng)過風(fēng)吹雨打產(chǎn)生干縮濕脹作用，以及炮火戰(zhàn)亂，地震以及現(xiàn)代化城市交通的多重激勵(lì)作用，古建筑木結(jié)構(gòu)受到不同程度的殘損，木材內(nèi)外產(chǎn)生霉變引起蟲蛀、產(chǎn)生裂縫，榫卯節(jié)點(diǎn)連接出現(xiàn)松動(dòng)，梁柱構(gòu)件錯(cuò)位偏移，這些殘損破壞了構(gòu)件的完整性，降低了其強(qiáng)度，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的受力性能發(fā)生改變，特別是當(dāng)各種殘損效應(yīng)相互疊加時(shí)可能會(huì)達(dá)到結(jié)構(gòu)極限承載力，嚴(yán)重的產(chǎn)生連續(xù)性倒塌，對(duì)古建筑造成不可估計(jì)的損失。

目前最有說服力的方法就是對(duì)殘損的古建筑進(jìn)行模型試驗(yàn)，當(dāng)今研究人員針對(duì)古建筑的殘損開展了大量的模型試驗(yàn)，同時(shí)取得了重大的研究成果。然而任何一個(gè)試驗(yàn)在開展之前都應(yīng)進(jìn)行全方位考慮，以期規(guī)避影響試驗(yàn)的因素，從而得到可靠精確的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變。作為古建筑的守護(hù)者，我們有責(zé)任和義務(wù)運(yùn)用試驗(yàn)剖析現(xiàn)存的古建筑，因此模型試驗(yàn)的研究對(duì)今后古建筑的保護(hù)工作提供技術(shù)支持有重大意義。

1 古建筑的殘損構(gòu)件

現(xiàn)存古建筑木結(jié)構(gòu)均有不同程度的殘損，當(dāng)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件出現(xiàn)殘損時(shí)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的安全性能有很大的影響。在古建筑中殘損主要出現(xiàn)在榫卯節(jié)點(diǎn)、斗、梁柱框架等部分，這些建筑部件都是建筑受力傳力的關(guān)鍵構(gòu)件，通過制作模型進(jìn)行試驗(yàn)是一種可靠的研究手段，有助于我們研究木結(jié)構(gòu)的抗震性能規(guī)律，隨著科技手段的進(jìn)步，試驗(yàn)條件得到極大改善，研究人員針對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的殘損展開了一系列研究，并且得到了重要的結(jié)論。

1.1 古建筑的殘損斗與榫卯節(jié)點(diǎn)

榫卯是我國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)獨(dú)特的連接形式，它種類繁多巧妙地將各構(gòu)件聯(lián)系成一個(gè)整體。斗是古建筑的重要節(jié)點(diǎn)，與梁柱構(gòu)成一個(gè)整體，既可以承擔(dān)上部荷載，同時(shí)斗的各榫卯節(jié)點(diǎn)又具有較強(qiáng)的半剛性連接特性，榫頭和卯眼巧妙地咬合在一起相互支撐，可以承受一定的荷載，又可允許輕微變形，在振動(dòng)時(shí)榫卯節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移可以消耗能量，減少整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)[1]。因此，節(jié)點(diǎn)是木結(jié)構(gòu)建筑的重要組成部分，節(jié)點(diǎn)的殘損可能會(huì)因其結(jié)構(gòu)整體的傾斜甚至坍塌，了解節(jié)點(diǎn)的受力特性對(duì)古建筑的保護(hù)十分重要。

近年來研究學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。李義珠，曹雙銀，薛建陽(yáng)[2]等研究了燕尾榫節(jié)點(diǎn)的松緊度對(duì)古建筑力學(xué)性能的影響，制作了5個(gè)燕尾榫節(jié)點(diǎn)模型，其中有4個(gè)為松動(dòng)節(jié)點(diǎn)，分別進(jìn)行了循環(huán)側(cè)向加載試驗(yàn)，分析研究了松動(dòng)度對(duì)燕尾榫節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布、轉(zhuǎn)動(dòng)剛度與承載力的影響。謝啟芳[3-4]對(duì)單向直榫和燕尾榫進(jìn)行研究，通過制作縮尺比例模型，人工模擬殘損狀態(tài)，研究在低周反復(fù)加載試驗(yàn)下的破壞特征、彎矩轉(zhuǎn)角滯回曲線、骨架曲線、剛度退化規(guī)律和耗能性能，得出榫卯節(jié)點(diǎn)無論殘損與否，破壞過程中都會(huì)出現(xiàn)相似的現(xiàn)象，但是殘損的榫卯節(jié)點(diǎn)破壞地更為嚴(yán)重；殘損的節(jié)點(diǎn)滯回環(huán)面積越小、捏攏效應(yīng)顯著，同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)彎矩明顯低于完好節(jié)點(diǎn)，剛度逐漸下降；但是榫卯節(jié)點(diǎn)都具有較好的延性，在殘損后仍可以很好地工作。陳凌坤[5]等研究了單向直榫節(jié)點(diǎn)的衰減損傷對(duì)木結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，通過人工模擬損傷的方法，綜合考慮榫頭損傷深度以及表面損傷的不同程度，制作了三種不同接頭損傷和一種未損傷的接頭模型，分別對(duì)其進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)，然后分析接頭邊緣應(yīng)變變化特征、滯回特性、剛度退化和耗能能力。陳九璋[6]根據(jù)應(yīng)縣木塔二層平坐層的典型柱頭鋪?zhàn)髦谱髁?:3.5的4個(gè)斗節(jié)點(diǎn)縮尺模型，通過人工鉆孔處理的方法來削弱斗的受力截面，模擬斗的殘損狀態(tài)進(jìn)行了豎向加載試驗(yàn)，得到了4組斗節(jié)點(diǎn)的荷載-位移曲線，明確了殘損斗節(jié)點(diǎn)的受力和變形特征。結(jié)果顯示無論斗是否殘損，節(jié)點(diǎn)的破壞形態(tài)相似但殘損斗破壞程度更嚴(yán)重，同時(shí)殘損斗的極限荷載與抗壓剛度均有下降趨勢(shì)，且對(duì)抗壓剛度的影響更為顯著。謝啟芳[7]根據(jù)獨(dú)樂寺觀音閣平座層叉柱造式斗制作了4個(gè)縮尺模型，采用人工方法模擬構(gòu)件表面腐朽、蟲蛀及裂縫等三類殘損，進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)殘損斗模型的破壞形態(tài)更為嚴(yán)重，且抵抗彎矩承載力和轉(zhuǎn)動(dòng)剛度都有所下降，但是殘損斗節(jié)點(diǎn)的耗能能力提高，殘損斗節(jié)點(diǎn)仍具有較好的變形能力和延性，建立了節(jié)點(diǎn)的殘損度與其抗震性能退化之間的關(guān)系。

1.2 古建筑的殘損梁柱

梁柱是古建筑的主要框架，梁將屋蓋的荷載傳遞給柱子，最后由柱子傳遞給基礎(chǔ)。但是木材會(huì)因自身的干縮濕脹作用或外力因素開裂，嚴(yán)重的出現(xiàn)貫通縫，這些裂縫一方面會(huì)影響框架的抗壓強(qiáng)度和抗彎剛度，另一方面它又是蛀蟲與微生物入侵木材內(nèi)部的通道，木材會(huì)產(chǎn)生糟朽腐壞，削弱了構(gòu)件的有效受力截面尺寸，降低了其受力能力，在豎向荷載作用下很容易產(chǎn)生過大變形或斷裂問題[8]，因此梁柱的殘損不容忽視。

現(xiàn)存古建筑木結(jié)構(gòu)梁、柱等構(gòu)件的殘損問題已經(jīng)十分普遍，針對(duì)梁柱的研究也取得了顯著成果。陳孔陽(yáng)[9]對(duì)4組帶有不同深度縱向干縮裂縫的木梁進(jìn)行了三分點(diǎn)加載試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象并結(jié)合有限元應(yīng)力分析，推導(dǎo)出木梁由受彎破壞變?yōu)轫樇y剪切破壞的裂縫臨界指標(biāo)，以及相應(yīng)的極限承載力計(jì)算公式，并將推導(dǎo)所得承載力公式歸納簡(jiǎn)化成承載力下降系數(shù)曲線。謝啟芳[10]采用局部去除腐朽木材的方法模擬木柱上的局部殘損，對(duì)4根不同殘損程度的矩形木柱進(jìn)行了軸心受壓試驗(yàn)。李勝才[11]制做了2種不同損傷工況的試件模型，進(jìn)行水平低周往復(fù)加載試驗(yàn)，得到了不同損傷柱腳下木構(gòu)架的破壞形態(tài)與滯回性能，得到柱腳的損傷會(huì)導(dǎo)致木構(gòu)架的抗震性能下降。宋曉濱[12]進(jìn)行了帶縱縫木梁足尺試件彎曲加載試驗(yàn)，確定了縱縫長(zhǎng)度和位于梁截面高度處的位置等參數(shù)對(duì)木梁承載力的影響。

由上述研究可以得出，梁柱的損傷會(huì)降低構(gòu)件的有效截面面積，同時(shí)殘損的存在會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的抗震性能下降，且其結(jié)構(gòu)抗震性能隨著柱腳損傷程度增大而下降；裂縫的位置對(duì)構(gòu)件也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，位于截面中部的縱縫影響最大，相應(yīng)的梁試件承載力出現(xiàn)大幅度下降；局部殘損的木柱在軸心荷載作用下會(huì)出現(xiàn)偏心受壓的情況，另外木柱殘損的裂縫深度、長(zhǎng)度也會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件極限承載力的下降。

2 影響模型試驗(yàn)結(jié)果的因素

雖然各研究學(xué)者已經(jīng)對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)在殘損狀態(tài)下進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)研究，并且取得了重要的結(jié)論和成果，但由于木結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能復(fù)雜，構(gòu)件與整體之間的聯(lián)系充滿不確定性，因此還有大量研究工作有待深入開展。

現(xiàn)研究階段的模型試驗(yàn)所用木材大都為全新木材，然而古建筑的木構(gòu)件大多經(jīng)歷了上百年的時(shí)間，二者的密度、含水率以及物理力學(xué)性能肯定會(huì)存在一定的差別，經(jīng)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，新舊木材順紋抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化規(guī)律一致，但是隨著含水率的增大，順紋抗壓強(qiáng)度逐漸降低，且成線性關(guān)系，新木材的干縮率也相對(duì)較大[13]。選用做試驗(yàn)的木材的種類也會(huì)影響試驗(yàn)的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)表明，木材的順紋受壓力學(xué)性能會(huì)因不同的密度出現(xiàn)不同的破壞形式，木材的順紋抗壓強(qiáng)度與密度之間存在良好的線性關(guān)系[14]。在制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯瓿珊?，大都采用人工鉆孔或開裂縫的方法來模擬構(gòu)件的殘損。木構(gòu)件在自然界中的腐朽隨時(shí)間的增長(zhǎng)，力學(xué)性能會(huì)明顯地下降。另外就是如何解決模型試驗(yàn)的相似關(guān)系，這是開展模型試驗(yàn)首要考慮的問題，模型試驗(yàn)不同于原位試驗(yàn)，如果采用結(jié)構(gòu)真實(shí)的尺寸會(huì)加大資源的消耗，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、材料的要求極高，模型試驗(yàn)對(duì)模型的相似要求有三個(gè)相似定理，可以用量綱分析法來確定相似條件，設(shè)計(jì)模型的比例、材料、荷載和邊界條件[15]。因此，模型試件的比例也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3 結(jié)語

對(duì)于古建筑木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的殘損，當(dāng)今研究人員開展了一系列的試驗(yàn)，同時(shí)取得了一些成果，然而由于時(shí)間因素，我們無法獲取與古建筑同一時(shí)期的木材來開展模型試驗(yàn)，而且在模擬殘損的過程中只是簡(jiǎn)單地鉆孔、開裂縫、局部去除木材無法同木材在大自然中出現(xiàn)的殘損狀態(tài)相符合，在試驗(yàn)結(jié)果上難免會(huì)存在一定的誤差。

針對(duì)上述影響因素，筆者認(rèn)為在模型試驗(yàn)開展之前應(yīng)合理確定縮尺比例，并根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際殘損模擬試驗(yàn)試件的損傷。由于現(xiàn)階段的人工模擬殘損無法達(dá)到真實(shí)殘損程度，必要時(shí)可以引入折減系數(shù)；對(duì)于木材的選用也應(yīng)對(duì)研究對(duì)象深入考察，盡量使用與研究對(duì)象相同材質(zhì)的木材，保證木材纖維一致，密度接近。今后的古建筑保護(hù)工作中應(yīng)當(dāng)對(duì)試驗(yàn)全方位考慮，規(guī)避或減少影響實(shí)驗(yàn)的因素，以便獲取可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步研究。