木結(jié)構(gòu)古建筑概念設(shè)計思想分析

木結(jié)構(gòu)古建筑概念設(shè)計思想分析

作為中國古代文明的重要組成部分，中國古代建筑的發(fā)展經(jīng)歷了與西方不同的過程。在3000多年的漫長歷史中，以結(jié)構(gòu)為主體的結(jié)構(gòu)體系逐漸形成。在現(xiàn)有的古村落中，大部分經(jīng)歷了地震、自然風(fēng)化、戰(zhàn)爭等自然災(zāi)害和人類因素的破壞。雖然有些東西仍然完美，但也表現(xiàn)出良好的結(jié)構(gòu)性能?，F(xiàn)在，許多科學(xué)家已經(jīng)通過力學(xué)分析、組件和結(jié)構(gòu)模型進行了驗證，并取得了許多成果。在整個建設(shè)項目中，“概念設(shè)計”從“概念設(shè)計”的角度進行了木結(jié)構(gòu)的全球分析，并對其內(nèi)部的力學(xué)和結(jié)構(gòu)進行了探討。對于水利工程的“概念設(shè)計”，這通常意味著在整個結(jié)構(gòu)體系和子結(jié)構(gòu)之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機的特征、歷史遺跡的破壞、試驗現(xiàn)象和工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)設(shè)計原則和設(shè)計理念進行了全面的分析。從全球角度來看，確定結(jié)構(gòu)配置和詳細結(jié)構(gòu)控制措施的宏觀控制。在應(yīng)對現(xiàn)代結(jié)構(gòu)地震的問題時，我們通常認為“概念設(shè)計比計算設(shè)計更重要”，這在整個結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中起著主導(dǎo)作用。本文主要從三個方面分析了木結(jié)構(gòu)建筑工地的建筑結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)體系、柱框架和梁框架的結(jié)構(gòu)方法，并對其進行了分析。1筑物體的體型概念設(shè)計最重要的成果之一就是確定結(jié)構(gòu)的整體方案,而整體方案中最重要的就是建筑物體型的選擇.對國內(nèi)外歷次大地震后建筑物震害的調(diào)查研究表明,建筑的體型對其抗震性能有直接的影響.體型規(guī)則、對稱和均勻的建筑具有良好的抗震性能,而體型不規(guī)則、不對稱和不均勻的建筑則極易產(chǎn)生震害而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞,甚至發(fā)生倒塌.1.1平面抗震性能現(xiàn)存的歷史文獻資料及建筑實物都表明,中國古代木構(gòu)建筑的平面布局絕大多數(shù)采用矩形、方形、六邊形、八邊形以及圓形等較為規(guī)則且具對稱性的幾何圖形,具有規(guī)則性、對稱性及均勻性等特點.矩形房屋的長寬比皆在2以下,避免了建筑物過長(長寬比>4)時房屋兩端受到不同地震運動的影響而產(chǎn)生的反相位震動,避免產(chǎn)生不利的扭轉(zhuǎn)影響;方形、六邊形、八邊形以及圓形等平面為多軸對稱,可以抵抗來自任意方向的地震作用,具有良好的抗震性能.此外,八角形的平面比正方形平面可減少5%的風(fēng)壓,有利于增強結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能.我國現(xiàn)存最古老的木塔—建于遼清寧二年(公元1056年)的山西應(yīng)縣佛宮寺釋迦塔,就是平面為正八邊形的一座建筑,在過去的900多年中,經(jīng)歷了多次地震,仍然屹立如初.建筑平面抗震要求的均勻性主要指的是結(jié)構(gòu)的均勻性,即主要抗側(cè)力構(gòu)件的布置要均勻,盡量使建筑物的質(zhì)量中心與抗震結(jié)構(gòu)體系的剛度中心的位置接近,以減小地震作用下產(chǎn)生的偏心扭轉(zhuǎn)的影響.木結(jié)構(gòu)古建筑中的抗側(cè)力構(gòu)件主要指的是柱子,因此,柱網(wǎng)的布置也就決定了整個結(jié)構(gòu)體系的抗側(cè)剛度的分布.《營造法式》給出了殿堂結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)布置圖—“殿閣地盤分槽”圖,把殿堂結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)分為了四種形式:金廂斗底槽、分心斗底槽單槽和雙槽,如圖1所示.從圖中可明顯地看出,除單槽外,其他三種結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件的布置在縱橫兩個方向剛心與質(zhì)心都重合,符合均勻?qū)ΨQ的原則,而單槽只在縱向重合,橫向剛心和質(zhì)心重合或略有偏差.但總體來看,古建筑結(jié)構(gòu)布置具有均勻性,有利于防止地震作用下扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的產(chǎn)生,消除了這一最不利受力情況的影響.1.2柱腳平擺浮直直斷網(wǎng)的結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性在建筑物的豎向,影響建筑體型抗震的重要問題就是建筑物的高寬比,它是建筑物抗傾覆能力的衡量標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)現(xiàn)有的工程實踐經(jīng)驗,框架結(jié)構(gòu)的高寬比在地震區(qū)宜為3～4,非地震區(qū)宜在5以內(nèi).我國現(xiàn)存最高的木構(gòu)古建筑為應(yīng)縣木塔,它的高度相當(dāng)于現(xiàn)在的23層高層建筑,高寬比僅為2.3.宋代《營造法式》對柱子的高度與開間尺寸的關(guān)系作了明確規(guī)定:“柱雖高不越間之廣”,這種做法實際上是對高寬比的限制,在結(jié)構(gòu)整體抗傾覆方面具有重要作用.假設(shè)上部結(jié)構(gòu)為剛體,豎向地面加速度為aV(t),結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為m,重力加速度為g,地震方向的結(jié)構(gòu)寬度為B,結(jié)構(gòu)質(zhì)心離地面的高度為H,礎(chǔ)石與木柱之間的靜摩擦因數(shù)為fs.由于柱腳平擱在高出地面的礎(chǔ)石之上,在水平荷載作用下,礎(chǔ)石會提供一定的靜摩擦力,但當(dāng)水平荷載超過二者之間的最大靜摩擦力時,結(jié)構(gòu)則會發(fā)生沿水平作用方向的滑移,因此柱底最大剪力不會超過礎(chǔ)石與木柱間的最大靜摩擦力,即Fs≤fsm[aV(t)max+g](1)此時只要滿足下式,結(jié)構(gòu)就不會發(fā)生傾覆:M抗傾覆=m[aV(t)max+g]B2≥mfs[aV(t)max+g]H=M傾覆(2)Μ抗傾覆=m[aV(t)max+g]B2≥mfs[aV(t)max+g]Η=Μ傾覆(2)化簡得B2H≥fs(3)B2Η≥fs(3)由于屋蓋的重量占結(jié)構(gòu)總重量的絕大部分,所以結(jié)構(gòu)的質(zhì)心位置可近似取為柱頂,則H為柱高度.結(jié)構(gòu)在橫向的尺寸要小于縱向長度,所以B可視為結(jié)構(gòu)的總進深.古建筑中除了亭榭等小型建筑外,其他大多數(shù)建筑如殿堂、廳堂建筑的面闊和進深都大于柱高度的兩倍.即使對于單開間的建筑,從《營造法式》中所規(guī)定的“柱雖高不越間之廣”的條文中也可以明顯地看出B2H＞0.5B2Η＞0.5.近些年對古建筑研究表明,柱礎(chǔ)石與木柱間的摩擦因數(shù)fs≤0.5.因此(3)式得到滿足,結(jié)構(gòu)在遭遇地震作用時只會發(fā)生滑移,而不會整體傾覆,說明木構(gòu)古建筑控制高寬比以及柱腳平擺浮擱的做法起到了抗傾覆作用.2柱與基礎(chǔ)連接方式的特征結(jié)構(gòu)體系的選擇對于結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能及抗震能力的影響非常大,一個良好的結(jié)構(gòu)受力體系應(yīng)具有承擔(dān)設(shè)計荷載、抵抗意外事故的能力,特別應(yīng)具有良好整體性與魯棒性來抵抗地震作用.中國傳統(tǒng)木構(gòu)建筑所采用的結(jié)構(gòu)體系類似于現(xiàn)代建筑常用的框架結(jié)構(gòu),是由柱和枋(闌額、由額、隨梁枋、普拍枋等)通過榫卯結(jié)合技術(shù)連接而成的木構(gòu)架體系,是一個具有多重隔震、減震結(jié)構(gòu)層次的優(yōu)秀抗震體系,具有很好的抗震能力,主要表現(xiàn)在柱腳與礎(chǔ)石的平擺浮擱式連接、鋪作層以及榫卯連接節(jié)點.柱子是浮擱平置于礎(chǔ)石之上的,連接特性類似于鉸接,而現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中的連接方式為剛接.結(jié)構(gòu)的豎向力由柱子傳遞給基礎(chǔ),然后分散到地基之上.如果說現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中柱與基礎(chǔ)連接的剛性節(jié)點是依靠“抗”來承受水平荷載的話,那么木結(jié)構(gòu)則是“抗”與“放”的結(jié)合.在風(fēng)荷載及較小的地震作用下,結(jié)構(gòu)利用柱與礎(chǔ)石之間的摩擦力來抵抗水平荷載,但當(dāng)水平荷載超過礎(chǔ)石所能提供的摩擦力的時候,柱就開始在礎(chǔ)石表面滑動,使結(jié)構(gòu)底部剪力始終保持為常數(shù)——柱與礎(chǔ)石之間的滑動摩擦力,有效地減小了地震的影響,達到了隔震的效果.殿堂式建筑中的鋪作層是由安置在額枋或柱頭之上并由梁枋縱橫相連的多組斗栱組成的.斗栱中各構(gòu)件的連接為榫卯連接,斗底與栱以及櫨斗與普拍枋或柱頭之間為平置或加暗梢連接,由于榫卯間有間隙,達不到絕對的密實,并且暗梢的抗剪能力有限,會發(fā)生變形甚至折斷,所以水平荷載作用下構(gòu)件間可產(chǎn)生相對的摩擦滑動以及單鋪作的整體轉(zhuǎn)動,這種摩擦滑移以及轉(zhuǎn)動變形能夠耗散一定量的水平地震能量;鋪作各構(gòu)件在豎向?qū)訉佣询B,在豎向荷載作用下可產(chǎn)生壓縮變形,且具有一定的彈性,如同一巨大的彈簧墊層,可以耗散豎向的地震能量.龐大的鋪作層,在柱架與屋蓋之間形成了一個整體性很強的盤體,其層間摩擦滑移以及豎向彈性變形在一定程度上起到了減震隔震的作用,從而減小了上部厚重屋蓋層的地震反應(yīng).與鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中梁柱之間的剛性連接節(jié)點不同,木柱與枋連接的榫卯節(jié)點具有半剛性的特點,這也決定了木構(gòu)古建筑所獨有的結(jié)構(gòu)特性:結(jié)構(gòu)剛度小,自振周期長,節(jié)點可發(fā)生較大的彈塑性轉(zhuǎn)動變形.較長的自振周期可以避免與場地的卓越周期接近,防止了共振這種不利現(xiàn)象的發(fā)生;榫卯節(jié)點允許較大的轉(zhuǎn)角變形,并具有較好的延性,使得結(jié)構(gòu)通過節(jié)點的彈塑性轉(zhuǎn)動耗散了一部分地震能量,達到了耗能減震的作用.3支撐結(jié)構(gòu)的安裝措施古建筑的承重體系是由柱子和額枋通過榫卯連接而成的柱架系統(tǒng)以及由梁栿層層相疊而成的抬梁式梁架系統(tǒng)組成的.3.1柱間斜撐的設(shè)置柱架中的柱子不但外觀形式上做了形式優(yōu)美的卷殺處理,而且還有生起和側(cè)腳等特殊做法,這些做法具有的很強結(jié)構(gòu)意義.在古建筑物的正立面上,每個開間的柱高并不相同,而是自當(dāng)心間的平柱向兩側(cè)的角柱逐漸增高,這就是柱的“生起”.《法式》對用柱之制的描述:“凡用柱之制,……至角則隨間數(shù)生起角柱.”又對生起的尺寸做了具體規(guī)定:“三間生起二寸,五間生起四寸,七間生起六寸,九間生起八寸,十一間生起一尺,十三間生起一尺二寸”.圖2所示的為五間生起四寸.角柱“生起”只在殿堂式建筑中使用,不但造就了這種形制地位最高的古建筑從心間到盡間曲面上揚的優(yōu)美的弧形立面效果,而且具有深刻的力學(xué)及結(jié)構(gòu)意義.一方面,由于柱間高差的存在,使得連接兩柱頭的闌額略微傾斜,在豎向荷載作用下會產(chǎn)生軸向應(yīng)力,所有闌額的軸向應(yīng)力是沿桿件的、方向為指向心間的推力,起到了擠緊壓實榫卯節(jié)點的作用,增強了榫卯連接節(jié)點的連接剛度,提高了整個柱架的抗側(cè)移能力.另一方面,沿進深方向,同一列柱子的高度也不相同,山面中柱的高度要低于角柱.由于木構(gòu)架在橫向的抗側(cè)剛度較弱,所以在遭遇地震時會產(chǎn)生較大的變形,位于柱頭和額枋上的鋪作層也會發(fā)生變形或滑動,稍微向內(nèi)傾斜的鋪作層也會產(chǎn)生指向柱架中部的分力,抵消了一部分水平地震作用,一定程度上限制了鋪作層的位移,使其不會滑出柱架之外,進而避免了屋蓋的落架.對于造柱之法,除了“生起”之外,還有“側(cè)腳”的做法,即把建筑檐柱的柱底向外斜出,柱頭就自然地向內(nèi)傾斜,正面檐柱將柱底中心位置向外移出柱高的1/100,山面檐柱柱底中心線向外移出柱高的0.8/100,角柱則相應(yīng)的向兩個方向分別側(cè)腳1/100和0.8/100.柱側(cè)腳改變了立柱要垂直于地面?zhèn)鹘y(tǒng)理念,柱與柱之間不再是平行關(guān)系,而是呈一定的角度,使房屋的外輪廓略呈梯形.由水平構(gòu)件連接而成的互相平行的柱子在水平荷載作用下側(cè)移會變?yōu)槠叫兴倪呅?是幾何可變的.而側(cè)腳之后柱與柱的延長線會相交于一點,形成“虛鉸”,雖然沒有改變柱架幾何可變的特性,但是柱子傾斜所產(chǎn)生的水平力會壓實擠密闌額與柱子的榫卯連接節(jié)點,如果說自然連接狀態(tài)下榫卯節(jié)點的特性接近于鉸接的話,那么壓實后的節(jié)點所具有的抗彎能力會有明顯的提高,構(gòu)架趨于幾何穩(wěn)定,不再是純粹的幾何常變體系,兩者之間的差別見圖3所示.側(cè)腳后的建筑在承受水平力時要比矩形框架更加有利,在地震作用下柱架會產(chǎn)生側(cè)移變形,但是由于側(cè)腳的存在,變形會自動恢復(fù),柱架成為了一個在水平荷載作用下的自動復(fù)位系統(tǒng).如圖4所示,側(cè)腳的構(gòu)架在水平力作用下發(fā)生變形,一側(cè)的柱子傾斜角度加大,另一側(cè)的則趨向于豎直狀態(tài),因此柱架上方的屋蓋系統(tǒng)則作平面運動.設(shè)轉(zhuǎn)動角度為θ,屋蓋的自重記為G,則沿斜面的分力為F=Gsinθ,F使傾斜的屋蓋有恢復(fù)原有狀態(tài)的趨勢,只要柱架的變位不會導(dǎo)致榫卯節(jié)點破壞,柱架就會回到?jīng)]有受到水平作用力時的平衡位置,F就是恢復(fù)力,方向始終指向平衡位置.柱之間的連接除了使用各種額枋等水平構(gòu)件外,在一些建筑中還使用了另外一種構(gòu)件——柱間斜撐,也可稱為斜柱.我國現(xiàn)存建筑時間最早的高層樓閣式木結(jié)構(gòu)建筑——天津薊縣的獨樂寺觀音閣中,就使用了斜撐.如圖5所示.觀音閣柱網(wǎng)為“金廂斗底槽”,外觀兩層,實則三層,中間有一暗閣.由于要安置很高的佛像,所以明間為六角形空井,為了避免空井結(jié)構(gòu)影響高層樓閣的穩(wěn)定性,在明間檐柱與中柱之間設(shè)置了斜撐,并且在暗閣內(nèi)(中間層)和第三層縱向外圍壁體內(nèi)施加斜撐,如圖5-6所示.斜撐的設(shè)置,可保證建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定,提高側(cè)向剛度,并且在地震作用下能夠傳遞縱橫向水平力,是一種重要的連系桿件,在應(yīng)對地震方面具有很重要的貢獻.據(jù)歷史資料記載,自重建以后的千余年來,觀音閣經(jīng)歷了28次地震,其中清康熙十八年(1679年)的三河、平谷發(fā)生8級以上強震,“薊縣城官廨民舍無一幸存,觀音閣獨不圮”,只是木柱略有走閃,表明了設(shè)置斜撐的結(jié)構(gòu)體系的抗震性能得到了大幅度的提高.3.2疊梁式鋼構(gòu)件的設(shè)計歷史資料記載的最大跨度的梁栿為十椽栿,若用單梁直接承受上部屋蓋重荷,則梁的截面高度要120份高,轉(zhuǎn)換成現(xiàn)在的尺寸單位為2m以上,如此粗大的木材很難找到.疊梁的出現(xiàn),解決了這一問題,下面以八椽栿與不用疊梁的單梁的對比為例說明其中的力學(xué)意義.如圖7所示,設(shè)脊槫上的荷載為2P,平槫的荷載為P,椽水平投影長度為150份.蜀柱與梁栿之間的連接簡化為鉸接,八椽栿兩端簡支于柱頂?shù)匿佔髦?單梁的跨度取與八椽栿相同,椽兩端投影的位置立不同高度的立柱支撐槫,荷載同疊梁式.梁跨中彎矩見表1.表中,M8為八椽栿跨中彎矩;M6為六椽栿跨中彎矩;M4為四椽栿跨中彎矩;M2為平梁跨中彎矩.由表可知,單梁跨中彎矩為八椽栿的2.5倍,若要根據(jù)內(nèi)力值來選擇構(gòu)件截面尺寸,顯然,單梁式要比疊梁的截面尺寸大得多.相對而言,采用疊梁做法的構(gòu)件的截面尺寸可以大大減小.疊梁中所有梁栿構(gòu)件的彎矩值的總和為M2+M4+M6+M8=1500P,正好等于單梁跨中彎矩,即所有節(jié)省的彎矩全部被八椽栿以上的梁栿承擔(dān),所以有“替力梁架”之稱.與單梁構(gòu)件相比,疊梁中每個構(gòu)件中的截面尺寸要小很多,擴大了選材的范圍;另外,小材比大材更便于運輸和加工,降低施工難度.從某種程度上而言,疊梁是出于對受力及選材的考慮.4柱間斜撐的設(shè)置,使柱架不發(fā)生滑移本文通過現(xiàn)有的工程設(shè)計理念,對古建筑木結(jié)構(gòu)概念設(shè)計思想進行了研究,得到了以下主要結(jié)論:(1)在結(jié)構(gòu)平面選型方面,古建筑體型具有規(guī)則性、對稱性和均勻性,有利于抗震;豎向選型方面,木構(gòu)古建筑較小的高寬比使得結(jié)構(gòu)在遭遇地震作用時只會發(fā)生滑移,而不會整體傾覆.(2)結(jié)構(gòu)體系選擇方面,由于柱