對(duì)中國(guó)古建力學(xué)的思考

對(duì)中國(guó)古建力學(xué)的思考李豪邦〔中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院沈陽(yáng)110006〕摘要文章對(duì)中國(guó)古建進(jìn)行剖析后，認(rèn)為中國(guó)古建的特點(diǎn)是結(jié)合瓦屋面墊泥自重大的情況，使其柱、枋、梁三類(lèi)件剛?cè)嵯酀?jì)地承載、抗風(fēng)協(xié)同工作，而對(duì)地震卻有著更好的隔震效能，正因此，應(yīng)縣木塔才能歷經(jīng)千年，颶風(fēng)不倒、地震不塌，完整地保存到今天。關(guān)鍵詞古建結(jié)構(gòu)隔震應(yīng)縣木塔前言中國(guó)古建綺麗多姿的風(fēng)韻在國(guó)內(nèi)眾多的旅游景點(diǎn)是隨處可見(jiàn)，她的風(fēng)格已遠(yuǎn)及日本、韓朝，甚至海外各處華人街市。古建重要的特征在于木構(gòu)的屋蓋，不管雙坡的硬山、懸山，多坡的歇山、廡殿及至攢尖、重檐，其優(yōu)美的曲線造型輪廓，配以屋角起翹，纖細(xì)線條，輕巧玲瓏、樸素典雅。與西方古建相比，給人以柔和雅麗的印象，更多美的享受。古建造型輪廓的構(gòu)造內(nèi)核是古建的承力結(jié)構(gòu)。近百年來(lái)學(xué)術(shù)界對(duì)古建的重視是時(shí)有倡導(dǎo)，特別是上世紀(jì)初中國(guó)營(yíng)造學(xué)社的成立，曾做了大量的古建調(diào)研實(shí)測(cè)，而對(duì)古建承力結(jié)構(gòu)的受力探討未能涉及。上世紀(jì)80年代撥亂反正之后以北京古建研究所為主曾在古建結(jié)構(gòu)構(gòu)造處置細(xì)部的調(diào)研整理方面做了大量細(xì)致工作，并形成了系統(tǒng)專(zhuān)著[1]、[9]，但在涉及深入到力學(xué)理論層面的、古建構(gòu)件的受力性能方面，那么由于古建結(jié)構(gòu)隱含的特殊機(jī)理不為當(dāng)今各類(lèi)明確的結(jié)構(gòu)體系所納，難以建模，故而一直無(wú)人問(wèn)津。從歷史角度來(lái)推敲、解讀古建結(jié)構(gòu)作品的形成特點(diǎn)，可以想象得出，今日保存的古建是古代匠師，師徒沿襲傳承、學(xué)納外師技巧、一代接一代吸取經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)、逐步改良、通過(guò)皇室等大型建筑集中多方經(jīng)驗(yàn)，形成一段時(shí)間的法那么，再不斷改良開(kāi)展?fàn)I造出來(lái)的建筑結(jié)構(gòu)作品。對(duì)這些作品，從今日技術(shù)角度來(lái)看，由于當(dāng)時(shí)缺泛科學(xué)理論引導(dǎo)，因之不難發(fā)現(xiàn)其中存有：材料運(yùn)用不盡完善、節(jié)點(diǎn)處置不夠完美恰當(dāng)?shù)娜狈χ帯Ｈ欢覀儽仨毘烧J(rèn)：歷經(jīng)上千年傳承下來(lái)的古建處置手法是出自歷代眾多的圣哲匠師的終生琢磨、運(yùn)思獻(xiàn)策、集思廣益，且經(jīng)歷了歷代颶風(fēng)與地震的考驗(yàn)，不斷改良提練出來(lái)的當(dāng)時(shí)最精練的精湛技術(shù)。建于公元1056年的山西應(yīng)縣木塔至今傲然挺立，這有力地說(shuō)明：中國(guó)古建結(jié)構(gòu)的處置手法雖然與當(dāng)今依據(jù)力學(xué)理論優(yōu)化設(shè)計(jì)的成熟做法不完全符合，但她66米高、四千多噸重，挺立950年的事實(shí)，反映了她必然絕對(duì)是符合結(jié)構(gòu)力學(xué)根本原理能到達(dá)強(qiáng)度有余、穩(wěn)定足夠的境地。從這個(gè)角度來(lái)看，中國(guó)古建在力學(xué)機(jī)理上是存在尚未被同業(yè)人士可清晰認(rèn)辯的深藏特殊機(jī)理及超越當(dāng)今的高明之處。針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的技術(shù)進(jìn)展，以其具有的力學(xué)理論深入、科技手段廣泛、用材類(lèi)廣且為大工業(yè)生產(chǎn)的綜合強(qiáng)勢(shì)、擠迫古建、湮滅古建單一用材、手工生產(chǎn)效率低下的情況，我們當(dāng)今國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)同行應(yīng)是責(zé)無(wú)旁貸地投入精力對(duì)此項(xiàng)深藏的特殊機(jī)理澈底剖析清楚，這樣才不愧對(duì)圣哲匠師的辛勤勞作，也有利于保護(hù)古建并適度開(kāi)展以對(duì)得起后代來(lái)者。一古建結(jié)構(gòu)承傳豎、風(fēng)載的情況分析1.1古建房屋的構(gòu)成一般分三部段，即臺(tái)基、屋身與屋頂。屋身皆為直立的木柱、屋頂為頗多桿件組成的木構(gòu)架。今參照文獻(xiàn)[1]圖2-2所示常用的硬山木構(gòu)架來(lái)看，望板承當(dāng)屋面瓦、泥灰以及其上活載后，將其傳給椽條〔腦椽、花架椽、檐椽、飛椽〕，椽條又將荷載傳給檁條〔檐檁、下金檁、上金檁、脊檁〕，檁條接受荷載后，除檐檁、下金檁直接將其傳給下面的柱頂外，而脊檁、上金檁那么是將荷載通過(guò)瓜柱、三架梁傳給舉架底部的柁梁上，再由柁梁最終傳柱。這樣，從傳遞豎載來(lái)看，當(dāng)建筑布四排柱時(shí)，其主要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，除柱之外將是柁梁、檐檁和下金檁，它們都是置于柱頂將屋頂全部豎重直接傳柱。從受力角度來(lái)看，在豎載作用下屋頂構(gòu)件的受力都是清晰的，椽、檁、柁梁的受力為靜定的受彎構(gòu)件。柱屬于軸壓或偏心受壓構(gòu)件。對(duì)它們進(jìn)行桿件內(nèi)力計(jì)算及截面應(yīng)力及至確定截面都是方便的。1.2作為地面以上的古建筑除了承當(dāng)豎載之外，也必須考慮承受風(fēng)載以及偶然出現(xiàn)的地震作用。風(fēng)載是地面以上空氣流動(dòng)形成的風(fēng)壓，它來(lái)的方向可以是隨意的四面八方，作用給墻面及屋頂坡面，幾經(jīng)傳遞最后作用給柱或墻，而后傳給根底。當(dāng)建筑平面中布置軸線正交，柱與墻規(guī)格勻稱(chēng)時(shí)，風(fēng)力的傳遞不管風(fēng)向如何皆可根據(jù)力學(xué)中力的分解原那么，分解為相互正交并平行于建筑中墻面的力來(lái)分別傳給雙向的墻體來(lái)承當(dāng)，此時(shí)柱對(duì)水平風(fēng)力將承當(dāng)很少甚至不承當(dāng)，〔對(duì)低層的磚結(jié)構(gòu)建筑，由于墻量較多，抗風(fēng)能力大有富裕，故常對(duì)風(fēng)載略而不計(jì)〕。這樣看來(lái)對(duì)古建中無(wú)墻的亭、榭類(lèi)建筑，以及房屋一側(cè)全開(kāi)門(mén)窗的建筑，其對(duì)柱的抗風(fēng)能力就必須給予妥善解決。1.3觀測(cè)木柱的根部，其底端為一石制柱礎(chǔ)〔或稱(chēng)柱頂石〕，在柱礎(chǔ)正中鑿一卯孔〔又稱(chēng)海眼〕。加工柱時(shí)將其底做出一凸榫，安裝時(shí)使凸榫插入卯孔。顯然這種古代木結(jié)構(gòu)的合理做法和當(dāng)今現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的砼柱底甩筋錨入根底，或鋼柱底周邊外采用長(zhǎng)地腳螺栓錨入砼根底的做法，從力學(xué)角度衡量二者差異是很大。假設(shè)不考慮上部結(jié)構(gòu)具有對(duì)柱約束其傾倒作用的存在，那么對(duì)砼柱、鋼柱頂端施加水平力是可以允許、理由是砼柱、鋼柱為剛性嵌固于根底的懸臂狀態(tài)。而木柱底部為鉸接，凸榫雖可承受剪力，但不能承當(dāng)出現(xiàn)于柱根的彎矩，一旦柱頂施加水平力，那么木柱必然傾倒。1.4觀測(cè)木柱的頂端可看出，柱頂一般是存在雙向多層水平桿件的相互交搭。今以四排柱布局的硬山明間的檐柱與金柱〔參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]中圖2-2、圖2-3〕來(lái)說(shuō)：檐柱頂在縱橫雙向有檐檁、抱頭梁與柱三向交搭〔檐檁位在抱頭梁之上〕；金柱頂在縱橫雙向有金檁，柁梁與柱三向交搓〔檁在柁之上〕，此種交搭當(dāng)相接面為平面時(shí)，按力學(xué)原理來(lái)看，該相接面之間僅可傳遞豎向重力，水平剪力可借助磨擦產(chǎn)生，而對(duì)彎矩那么在柱頂不變彎情況下是無(wú)法出現(xiàn)。1.5再觀測(cè)木柱頂端的下層：在柁梁之下有隨梁枋，在金檁、檐檁之下有金枋、檐枋，有抱頭梁之下有穿插枋。這些枋件的用料與其上對(duì)應(yīng)平行的梁件用料有時(shí)少有減少，但其與柱的連接那么皆采用燕尾榫。由于燕尾榫的構(gòu)造特點(diǎn)是榫呈楔形，安裝時(shí)由頂落入卯槽就位，對(duì)柱頭可拉可推，這種連接做法與枋件之上的，梁件與柱連接的性能比照是大有改善，它可以傳遞一定的水平力及至彎矩，這對(duì)柱的傾倒是有著約束作用。二燕尾榫在枋與柱連接節(jié)點(diǎn)中作用的力學(xué)概念分析圖1所示為枋件與柱的連接做法，其中繪出了節(jié)點(diǎn)平面、立面及枋件端燕尾榫大樣的投視。從圖中我們運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)根本原理進(jìn)一步思考可看出節(jié)點(diǎn)受力的以下幾點(diǎn)：2.1當(dāng)枋件受拉時(shí)，對(duì)枋件的最不利受力面將發(fā)生在ABB1A1面上，當(dāng)拉應(yīng)力值超過(guò)該截面的極限強(qiáng)度時(shí)，該截面將出現(xiàn)斷裂。對(duì)立柱而言其不利的受力面是當(dāng)拉力通過(guò)磨擦剪切作用給柱的FBB1F1平面而后有可能引發(fā)起始于榫前角E、F點(diǎn)處立柱木纖維拉裂劈開(kāi)縫FH及EG，并沿該線上下擴(kuò)展一定長(zhǎng)度到H3、H2。2.2當(dāng)枋件受壓時(shí)，由于榫端面EFF1E1與卯口內(nèi)壁做不到密合，故枋件對(duì)柱的壓力很可能是通過(guò)卯口外的BDD1B1及ACC1A1面上枋端與柱面的接觸擠壓進(jìn)行傳遞。圖12.3當(dāng)枋件端受彎時(shí)，由結(jié)構(gòu)力學(xué)原理知：枋件受彎截面的中部會(huì)有一中和軸線，該線上下截面的應(yīng)力相反，一側(cè)〔上或下〕受壓那么另側(cè)〔下或上〕受拉，而且截面上最大應(yīng)力產(chǎn)生在截面的上、下邊緣處。據(jù)此推理，此時(shí)枋件端燕尾榫的受力情況將是在受拉的上〔或下〕面兩側(cè)邊緣處榫側(cè)面與柱卯口側(cè)面頂緊擠實(shí)到用磨擦剪力傳遞拉力，而其承壓的下〔或上〕面兩側(cè)，那么榫側(cè)與柱卯口側(cè)面脫離，此時(shí)該處的壓力傳遞改由榫根外的枋的兩側(cè)余留面〔BDD1B1及ACC1A1〕的下〔或上〕邊緣擠壓柱外表來(lái)提供。2.4可以想象得出，上述燕尾榫的受彎工作是存在有木構(gòu)造的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。首先，榫上〔或下〕緣頂緊卯口側(cè)是需要出現(xiàn)變形來(lái)產(chǎn)生的。其次是枋件下〔或上〕緣頂緊柱外表也將產(chǎn)生相應(yīng)的變形。以上兩變形的結(jié)果會(huì)造成枋件軸線相對(duì)于柱軸線出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角變形，即對(duì)枋件與柱的原有夾角出現(xiàn)或縮小，或放大的現(xiàn)象，這在實(shí)際中就是出現(xiàn)柱身歪斜。由于此變形是出現(xiàn)在榫卯受力起步階段，今稱(chēng)此變形為“起步變形〞，其實(shí)質(zhì)是枋件就位拼裝時(shí)由難以防止的松弛態(tài)進(jìn)入受力態(tài)之間的變形，〔今令此變形用柱頂位移量S表示，那么枋端榫只有出現(xiàn)S之后才受力工作產(chǎn)生對(duì)柱的約束。〕此變形雖然僅是在受彎起步時(shí)產(chǎn)生，而當(dāng)其后受力增大過(guò)程內(nèi)，只要不出現(xiàn)反向受力及超限負(fù)荷情況那么是可以根本保持夾角不再變動(dòng)。但此夾角變動(dòng)〔反復(fù)負(fù)荷時(shí)變動(dòng)更明顯〕的現(xiàn)象是和結(jié)構(gòu)力學(xué)對(duì)框架節(jié)點(diǎn)的定義〔節(jié)點(diǎn)是剛結(jié)、梁與柱二者要轉(zhuǎn)動(dòng)一齊轉(zhuǎn)動(dòng)，但二者相對(duì)不動(dòng)〕相違背的?；诖丝烧J(rèn)定木構(gòu)柱枋間燕尾榫連接不能等同鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的框架節(jié)點(diǎn)。同時(shí)也應(yīng)看出：枋柱夾角的變形導(dǎo)致柱歪是不利于結(jié)構(gòu)的受力與使用，對(duì)此“起步變形〞令其為零屬不可能，但應(yīng)力求減小才適宜。三古建木構(gòu)架抗風(fēng)的力學(xué)機(jī)理分析3.1根據(jù)當(dāng)今結(jié)構(gòu)力學(xué)的觀點(diǎn)：柱底為不動(dòng)鉸的構(gòu)架、如假設(shè)柱頂沒(méi)有強(qiáng)有力的支頂拉接〔如長(zhǎng)向磚墻或斜撐〕，同時(shí)柱頂構(gòu)件不能提供限制柱側(cè)傾的約束力矩時(shí)，那么該構(gòu)架柱在受到水平外力作用下是必然會(huì)全部?jī)A倒。今結(jié)合古建木構(gòu)架的實(shí)際狀況，由于它存在柱頂枋件并以燕尾榫作法與柱連接，如以上分析所述，該節(jié)點(diǎn)在出現(xiàn)“起步變形〞之后枋件是可以承當(dāng)一定的作用給柱的力矩來(lái)約束柱的連續(xù)傾倒變形。依此來(lái)看風(fēng)力作用下的枋件與柱，由于枋件是左右兩端支于柱頂、左右柱長(zhǎng)不變，那么枋件就不會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，但對(duì)柱來(lái)說(shuō)，由于柱頂在風(fēng)力作用下會(huì)出現(xiàn)柱頂移位，但柱底不動(dòng)，這就使柱產(chǎn)生少許側(cè)傾變形，此變形將使柱與枋件的夾角帶來(lái)變化，這就形成了“起步變形〞，隨之引發(fā)枋件端榫對(duì)柱出現(xiàn)約束力矩以防止柱側(cè)傾的擴(kuò)大。此項(xiàng)約束力矩是同時(shí)出現(xiàn)在枋件兩端，且兩端約束柱身轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同〔示如圖2〕。該約束力矩Mf傳給柱后，將與柱底相應(yīng)承當(dāng)?shù)募袅1所引發(fā)的柱頂彎矩V1·H1相互平衡。對(duì)此可列式如下：Mf=V1·H1〔1〕式中：V1——對(duì)應(yīng)Mf可允許的柱底剪力；H1——由柱底到枋件中心的高度；Mf——枋件端榫可承當(dāng)?shù)牧?，?duì)其量值的計(jì)算可如下進(jìn)行。圖2今設(shè)枋件受力時(shí)，其承當(dāng)?shù)膹澗厥鞘鬼斆媸芾?，那么在圖1的CABDD1B1A1C1面上的應(yīng)力分布根據(jù)概念推理將如圖3所示，圖內(nèi)于截面高度的中部大片應(yīng)力為零，這是考慮存在起步變形的情況所致〔假設(shè)視截面為連續(xù)彈性體，那么僅是在截面中部的中和軸處應(yīng)力為零〕。針對(duì)圖3的應(yīng)力分布，我們對(duì)枋件端〔榫根〕截面的受力可近似取上部拉力總和F為：F=0.2H·b×1.1×ft=0.22Hbft〔2〕式中：H·b為枋件截面高及榫根頂面寬〔示如圖3〕。ft為木材順紋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，可根據(jù)用材樹(shù)種參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)〔GB50003-2003〕取用，對(duì)ft前的1.1系考慮木材高韌性[10]局部受力暫用的提高系數(shù)〔日后經(jīng)試驗(yàn)可作修改〕。由于截面上下屬力偶抗彎、下部壓力之和亦為F，這樣，榫根允許承當(dāng)?shù)膹澗豈f可暫如下：圖3Mf=F×0.8H=0.8H×0.22Hbft=0.176bH2ft〔3〕3.2對(duì)榫連柱枋木構(gòu)架具有“起步變形〞的特點(diǎn)來(lái)看，其對(duì)木構(gòu)架的受力工作將是引起柱頂位移的加大。位移加大——這對(duì)鋼筋混凝土框架及鋼框架來(lái)講是屬不到因素，按現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)必要時(shí)要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算中考慮P·△效應(yīng)，進(jìn)行二階彈性分析。對(duì)木構(gòu)古建從現(xiàn)實(shí)來(lái)看，構(gòu)架的梁件〔柁梁、檁〕是簡(jiǎn)支浮放在柱頭頂面，而柱底也是浮放在柱礎(chǔ)石頂面之上?？紤]到木構(gòu)架在受水平外載作用后，柱頂出現(xiàn)側(cè)移時(shí)會(huì)伴隨出現(xiàn)柱頂面及柱底面的傾斜，形成柱頂面一角降下，另角升起〔示如圖4〕。這將導(dǎo)致柱頂簡(jiǎn)支梁件對(duì)豎重的向下傳遞由原先的在柱中心下傳改為由柱頂升起的角邊下傳。同時(shí)，側(cè)傾了的柱下端其對(duì)豎載的向下傳遞也由原先從中心下偉改為由柱底面斜下角〔此角與柱頂?shù)纳鸾菫樾睂?duì)〕下傳。這種因柱頂?shù)酌嬗善阶冃币l(fā)的豎載在柱頂面及底面上的移位傳遞，對(duì)柱而言起著迫使柱減輕側(cè)傾的趨勢(shì)；應(yīng)認(rèn)為是一項(xiàng)對(duì)柱頂作用的約束力矩。今命此柱頂?shù)讉髁σ莆坏男?yīng)力矩為Mb，那么在推理及假定條件下可有下式：Mb=N·K·B=KNB〔4〕式中：N為柱件傳下的豎載力；B為柱頂面寬；K為出現(xiàn)Mb時(shí)柱頂?shù)姿鶄髫Q力線平行中距與B的比值，可取為0.6～0.9。如屬必要可根據(jù)實(shí)況作試驗(yàn)確定。與此同時(shí)，我們也應(yīng)清晰認(rèn)識(shí)“起步變形〞的不利影響一面。今取“起步變形〞形成柱頂?shù)奈灰浦禐镾〔此S值主要與榫卯加工精度有關(guān)，它由零起始，直達(dá)S后，枋件才通過(guò)榫接對(duì)柱產(chǎn)生約束力矩〕，那么上柱頂豎載N將因S的出現(xiàn)產(chǎn)生導(dǎo)致柱傾的致傾力矩NS此致傾力矩對(duì)柱的作用與約束力矩為相反。這樣看來(lái)，柱頭在承受水平外載出現(xiàn)起步變形之初，首先出現(xiàn)Mb的約束力矩，當(dāng)其能力缺乏隨著起步變形到達(dá)S后，Mf才起始參予。此時(shí)施加給柱的總的約束力矩M可如下式表示：圖4M=Mb-NS+Mf=KNB-NS+Mf〔5〕在上式〔5〕中Mb可認(rèn)為是恒定，Mf那么是僅當(dāng)出現(xiàn)NS時(shí)才會(huì)形成來(lái)參予工作。而NS的出現(xiàn)是標(biāo)志著單由Mb來(lái)約束柱已能力缺乏，需Mf出面參予合作才能完成的約束柱的側(cè)傾歪倒。這里反映出一個(gè)現(xiàn)象，即當(dāng)柱頂壓重N很大〔多層塔類(lèi)結(jié)構(gòu)當(dāng)屬此〕，柱的尺寸又較寬〔即B較大〕時(shí)，Mb將顯著為大，此情況下有可能會(huì)是單有Mb即可約束柱不出現(xiàn)側(cè)傾歪倒。此時(shí)的柱身只是將要出現(xiàn)側(cè)傾趨勢(shì)——柱頂位移那么有一點(diǎn)出現(xiàn)，其量遠(yuǎn)不及起步位移S值，在這種情況下對(duì)結(jié)構(gòu)的使用無(wú)疑是十分良好的。為進(jìn)一步說(shuō)明Mb存在的作用意義，今借文獻(xiàn)[5]、[6]對(duì)應(yīng)縣千年木塔的有關(guān)數(shù)據(jù)、尺寸對(duì)Mb作如下粗略估算：木塔上部總重〔不計(jì)底層墻體重時(shí)〕=2940t。塔高65.86m，除去頂部尖端及底部半層高后的計(jì)算底層風(fēng)壓總剪力的承風(fēng)壓折算高度取為48m。塔身八角形，近似取受風(fēng)面的直徑為25m。塔體明暗共9層，底層柱凈高取用5.2，柱寬取5.2÷11=0.48m。今設(shè)塔底的柱根數(shù)為n，那么單柱承當(dāng)?shù)南聜髫Q載力N=2940t÷n。按公式〔4〕計(jì)算Mb并取K=0.85，那么Mb=0.85×(2940÷N)×0.48=(1200÷N)t-m據(jù)文獻(xiàn)[11]計(jì)算塔體受風(fēng)時(shí)的底層總剪力V為：V=1.4×1.05×1.42×0.8×0.8×55×48×25=88172kg此總剪力對(duì)底層柱頂產(chǎn)生的總彎矩=88.172×5.2=458.5t-m。平衡此彎矩所需全效能效勞的柱根數(shù)=458.5÷1200/n=38.2%n。上式計(jì)算充分說(shuō)明Mb的影響是相當(dāng)可觀，不需全部柱參予，僅有總數(shù)38.2%的全效柱即可在塔體不出現(xiàn)明顯的“起步變形〞條件下〔即枋件端榫全然不工作〕，單由柱頂?shù)讉髁σ莆坏男?yīng)力矩即可與塔體受風(fēng)的設(shè)計(jì)值取得平衡。細(xì)心觀測(cè)圖5所示的多層塔梁柱接頭示意，可看出上述結(jié)論并不意外。這是因?yàn)閵A于上下柱之間的梁完全類(lèi)似于上下柱連成整根而梁好象是透榫，穿入其間，榫與卯孔間完全無(wú)隙，這樣的約束雖然不是真正的透榫但其作用效果是可以令人滿意的。3.3通過(guò)以上的分析探討，我們可對(duì)古建構(gòu)架特點(diǎn)作如下表述?！?〕古建木構(gòu)架的主件皆由柱、梁件、枋件三類(lèi)構(gòu)成，梁件與枋件上下平行配置，但二者有著明確的分工。梁件首先始終承當(dāng)其上豎載的向下傳遞〔其對(duì)水平外力的抵抗參予那么與傳載大小、柱寬尺寸有關(guān)〕。而枋件僅在必要情況下——即柱出現(xiàn)一定的側(cè)傾S之后，才承當(dāng)?shù)钟酵廨d?！?〕依構(gòu)件受力重要性區(qū)別來(lái)說(shuō)，在單層古建中，梁件承受豎重后，形成跨中截面彎矩值最大，但實(shí)際工程中一般因截面選用較大，故相對(duì)而言，梁件多不存在薄弱環(huán)節(jié)。但仿件相比那么不同，因其在抵抗側(cè)向水平力情況下支座截面所受彎矩最大，同時(shí)還有剪切力存在，而相應(yīng)枋件端頭燕尾榫根部因截面削弱過(guò)多，故形成為明顯的薄弱環(huán)節(jié)，這對(duì)亭、榭類(lèi)建筑卯榫的尺寸決擇、精細(xì)密合施工都是需要特別注意的。對(duì)柱那么因其頂端所受彎矩為最大，更加柱頂存在多個(gè)卯口，形成截面明顯的缺失，而燕尾榫的受力又會(huì)形成柱頂?shù)呐褢?yīng)力，故該處也存在形成為薄弱面的隱患。圖5〔3〕由于柱的頂?shù)酌媾c相鄰構(gòu)件都是浮擱簡(jiǎn)支狀態(tài)，而柱的高寬比相對(duì)較大，這在梁端負(fù)重較大時(shí)，是存在有對(duì)柱作用的約束力矩〔即柱頂?shù)讉髁σ莆坏男?yīng)力矩〕Mb，此約束力矩對(duì)單層結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)其效應(yīng)多不顯著，但對(duì)多層的塔體結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，那么是十分重要的抗側(cè)力因素，在這種情況下，梁的受力將不再是簡(jiǎn)支受力，梁端也出現(xiàn)了明顯的受彎，其在結(jié)構(gòu)中的重要性正如此前對(duì)應(yīng)縣木塔估算數(shù)據(jù)說(shuō)明的那樣——非常顯著。四對(duì)古建類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度計(jì)算的建議對(duì)此問(wèn)題應(yīng)區(qū)別仿古建、復(fù)古建、維修古建三方面來(lái)談〔由于中國(guó)古建巧妙地采用了隔震技術(shù)，故這里暫不談?dòng)嘘P(guān)地震問(wèn)題，另見(jiàn)下節(jié)〕。4.1就仿古建而言，在當(dāng)今多元文化氣氛下已不再視作冒牌假貨，它實(shí)際是古建隨科技進(jìn)展的延伸開(kāi)展。對(duì)其建造的宗旨是其功能應(yīng)滿足現(xiàn)代化使用要求，快好省建成。對(duì)其外形觀感要求具備中國(guó)傳統(tǒng)風(fēng)格神韻氣質(zhì)。這類(lèi)建筑一般規(guī)模不是很小，對(duì)其建造是存在與現(xiàn)代結(jié)構(gòu)進(jìn)行造價(jià)省，施工快，優(yōu)劣方面的劇烈竟?fàn)?。在此情況下，對(duì)其設(shè)計(jì)應(yīng)是盡量采用能有好省快效果的新結(jié)構(gòu)為妥，如舉架采用鋼桁架甚至對(duì)頂斜梁加拉桿的三桿架、檁及椽條用薄壁鋼管，柱用配筋磚柱、砼柱、鋼管柱，屋面用瓦型彩鋼板等。在此情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)是遵照國(guó)家現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。4.2對(duì)復(fù)古建筑，它要求其在外形及內(nèi)部骨架細(xì)部方面皆同古建。鑒于古建已有通用的營(yíng)造法那么，依其規(guī)定制做，自然會(huì)符合于對(duì)建筑要求的初衷。由于營(yíng)造法那么的制定在平安度方面都有較大平安保證，故不必另作設(shè)計(jì)計(jì)算，但進(jìn)行中應(yīng)根據(jù)的受力情況對(duì)薄弱處給予著重加強(qiáng)；必要情況下作一點(diǎn)簡(jiǎn)化計(jì)算是必要的，可按實(shí)際據(jù)理進(jìn)行。4.3對(duì)古建維修，此項(xiàng)工作應(yīng)是要求慎重仔細(xì)進(jìn)行，對(duì)重要的大型古建〔如應(yīng)縣木塔〕更應(yīng)具有先期研究、測(cè)試配合的過(guò)程。由于古建結(jié)構(gòu)自身存在建筑初期就具有的“受力較大截面受限的薄弱環(huán)節(jié)〞〔如柱頭部位〕，因之修繕的著眼點(diǎn)須是應(yīng)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)，而對(duì)其它大多部位僅作一般針對(duì)腐朽、硬傷等特殊情況的查測(cè)，無(wú)問(wèn)題即可放過(guò)。對(duì)薄弱環(huán)節(jié)如能采取有效的加固做法，使其恢復(fù)承載的原有平安度，那么應(yīng)防止落架形成拆了重建的大動(dòng)作。針對(duì)此狀況，對(duì)古建結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算就成為必須進(jìn)行的環(huán)節(jié)，以作為對(duì)殘破如何取舍處置確實(shí)切力學(xué)理論依據(jù)。一般情況下的計(jì)算工作可按以下建議的步驟進(jìn)行。〔1〕對(duì)僅承受豎載的梁件，如無(wú)異?！哺?、硬傷等〕，那么可認(rèn)為已經(jīng)過(guò)承載歷史的考驗(yàn)，不作處置。〔2〕對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)〔抗風(fēng)〕能力，首先查看建筑中如存在布局完備，砌筑良好的墻砌體可協(xié)助抗風(fēng)，那么對(duì)上部木構(gòu)也僅作一般查看，如無(wú)異?！哺唷⒂矀城闆r，那么可不作特殊處置。當(dāng)不存在能協(xié)助木構(gòu)架抗風(fēng)的墻體時(shí)，那么應(yīng)對(duì)木構(gòu)架進(jìn)行抗風(fēng)計(jì)算?！?〕對(duì)古建木構(gòu)架計(jì)算的具體進(jìn)展應(yīng)是：第一步，在結(jié)構(gòu)的各類(lèi)柱中核查選出在豎載及側(cè)力〔風(fēng)載〕最不利組合作用下的最大柱底剪力Vmax。第二步，分別按實(shí)際尺寸及用材樹(shù)種計(jì)算該柱頂梁件可提供的，柱頂?shù)讉髁σ莆坏男?yīng)力矩Mb[按公式〔4〕計(jì)算]。及枋件端榫可承當(dāng)?shù)牧豈f[按公式〔3〕計(jì)算]。第三步，將Mb與Vmax·H〔柱高〕進(jìn)行比照，如Mb＞Vmax·H那么視木構(gòu)架的抗側(cè)能力可允許，對(duì)構(gòu)架可不作大的處置。如Mb＜Vmax·H，那么須按公式〔5〕計(jì)算總的約束力矩M，此時(shí)對(duì)式中的起步變形S值應(yīng)根據(jù)已有的調(diào)查資料或試驗(yàn)數(shù)據(jù)予以確定，當(dāng)M＞Vmax·H時(shí)，可視木構(gòu)架的抗側(cè)能力為允許。應(yīng)當(dāng)成認(rèn)，在以上的計(jì)算中，對(duì)柱底剪力Vmax確實(shí)定是存在著較大難度，這是因?yàn)閺目傮w看：?jiǎn)蝹€(gè)建筑中全結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)載即為風(fēng)對(duì)建筑的總風(fēng)力，其對(duì)結(jié)構(gòu)底層的總剪力是明確的。按作用風(fēng)向，可確定參予工作的抗風(fēng)構(gòu)架，每排抗風(fēng)構(gòu)架承當(dāng)?shù)娘L(fēng)力應(yīng)按抗側(cè)剛度的大小比例分配，而后再求得分配于各柱的柱底剪力。這里說(shuō)了簡(jiǎn)單，但從分配的操作層面上看有難度，它涉及屋頂或樓層面的剛性、各柱頭的構(gòu)造細(xì)節(jié)、枋端榫卯的加工精度及起步變形S的量值及其均勻性、各柱頭Mb與Mf生成過(guò)程的應(yīng)力——應(yīng)變特征……都難以確定。這在目前缺泛調(diào)查、試驗(yàn)研究資料的情況下，如維修工程確屬需要時(shí)，我們可以主要依據(jù)歷史過(guò)程已有的結(jié)論及充分了解的現(xiàn)實(shí)情況，參照現(xiàn)代空間框架結(jié)構(gòu)受力的思路及砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中引用空間性能影響系數(shù)的做法，通過(guò)比對(duì)、思索、判斷的概念分析手段，適當(dāng)留有平安余地來(lái)給予確定。此項(xiàng)工作是難，但只要考慮周全、慎細(xì)推敲，這從既往工程經(jīng)驗(yàn)[7]、[8]來(lái)看，還是可行的。五中國(guó)古建結(jié)構(gòu)當(dāng)時(shí)與西方建筑相比是偉大的輝煌成就5.1千年前中國(guó)古建就采用了隔震技術(shù)從建成已950年的應(yīng)懸木塔〔高66m、重2940噸〕來(lái)看，在其近千年的歷史中，它經(jīng)歷過(guò)的地震[6]有：1057年的河比固安地震6.75級(jí)、1102年的太原地震6.5級(jí)、1305年的懷仁應(yīng)縣地震6.5級(jí)、1337年的懷來(lái)地震6.5級(jí)、1367年的朔縣地震5.5級(jí)、1484年的居庸關(guān)地震6.75級(jí)，至今建筑狀況良好，結(jié)構(gòu)平安無(wú)恙。這從結(jié)構(gòu)抗震的角度來(lái)看，令人費(fèi)解實(shí)屬奇跡。但深層思索，并從當(dāng)今興起的結(jié)構(gòu)隔震角度來(lái)看，那么它無(wú)疑是結(jié)構(gòu)隔震歷史上的應(yīng)用面最廣，出現(xiàn)歷史最早的偉大創(chuàng)舉。對(duì)其屬于隔震的機(jī)制我們可從下述方面看出?！?〕從力學(xué)原理來(lái)講：建筑結(jié)構(gòu)無(wú)論承受何種外力，該外力必須通過(guò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的工作〔產(chǎn)生彎矩、軸力、剪力〕傳給地基取得平衡之后才能確保結(jié)構(gòu)的平安。風(fēng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用是將風(fēng)——這一水平外載直接施加給結(jié)構(gòu)上，通過(guò)結(jié)構(gòu)內(nèi)各部受力應(yīng)變傳遞將水平外載傳給地基。這里最可直觀感知、意識(shí)到的就是底層柱承受的層間剪力——即柱在頂?shù)變擅嫔铣惺芊较蛳喾吹乃搅ΑＴ诖藸顩r下柱要傾倒，于是柱頂?shù)牧鸿侍峁┘s束力矩Mb及Mf制止柱的傾倒——此即前述的柱抗風(fēng)機(jī)制。〔2〕但地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用與風(fēng)載作用不同。地震是從地面瞬間產(chǎn)生位移起始而出現(xiàn)的。對(duì)于當(dāng)今的常規(guī)建筑結(jié)構(gòu)、不管磚石結(jié)構(gòu)、砼結(jié)構(gòu)、其墻、柱對(duì)地基甚至頂部梁多是剛性固接，這就使瞬間的地面位移量通過(guò)墻、柱的層間剪力向上傳遞，使上層也出現(xiàn)瞬間位移并伴隨有放大效應(yīng)[12]，層層出現(xiàn)的瞬間位移是有著瞬間加速度的反響，有加速度就出現(xiàn)力這對(duì)建筑產(chǎn)生的危害是人所共知的。對(duì)于中國(guó)古建木構(gòu)架來(lái)講，它卻和當(dāng)今常規(guī)結(jié)構(gòu)有著全然不同的以下特點(diǎn)：eq\o\ac(○,1)木構(gòu)架皆為木柱支承。一律不設(shè)支戧類(lèi)斜撐構(gòu)件。eq\o\ac(○,2)柱底立于柱礎(chǔ)石上、柱頂平放梁件、上下皆為明顯的鉸接，對(duì)木柱不提供嵌固效應(yīng)。因之，就梁柱關(guān)系而論，柱屬于上下鉸支。假設(shè)計(jì)及此前所述梁對(duì)柱所具有的“柱頂?shù)讉髁σ莆恍?yīng)力矩Mb〞，該Mb也僅是對(duì)出現(xiàn)擺動(dòng)的柱提供復(fù)位功能，而不引發(fā)層剪力。eq\o\ac(○,3)柱與枋件的連接皆為燕尾榫相連。由于該榫的就位是由柱頂順槽落下擠入卯槽，下落過(guò)程中外卡柱面、內(nèi)擠卯槽斜壁，且又是整根枋件同時(shí)左右落下就位，故施工必然存在允許的松馳誤差，這使柱在出現(xiàn)起步變形S之前所形成柱與枋的關(guān)系也是鉸接。eq\o\ac(○,4)細(xì)究有關(guān)起步變形S的影響大小，可作如下估算：設(shè)榫在拉緊擠實(shí)卯槽側(cè)面的過(guò)程中須產(chǎn)生1.5mm的頂緣變形，而底緣的枋端與柱面密合縫隙，貼緊柱面也要有1.5mm的底緣變形，今設(shè)枋件高200，柱高4m，那么由于榫的密合接觸帶來(lái)柱頂出現(xiàn)相對(duì)位移a的值可由下式求得。即a=60mm此a值說(shuō)明：當(dāng)?shù)卣饡r(shí)，地面位移小于60mm時(shí)，木構(gòu)架中的枋件是不參預(yù)工作——不約束柱的變形，亦即柱的工作屬于上下端皆為鉸接。〔3〕通過(guò)上述可看出，中國(guó)古建結(jié)構(gòu)對(duì)地震的反響與當(dāng)今常規(guī)結(jié)構(gòu)的反響大有差異，它在枋端榫出現(xiàn)起步變形之前，即枋件不對(duì)柱的側(cè)傾提供約束力矩的情況下，柱的工況是上下為鉸。這樣，地震出現(xiàn)瞬間反復(fù)的地面位移對(duì)柱就形成不了有效的層間剪力〔梁放柱頂之上尤如梁端放在一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的直徑同柱高的巨型輥軸之上〕，各層柱皆無(wú)剪力，而地震對(duì)結(jié)構(gòu)造成的僅是接觸地面的底層柱的搖晃擺動(dòng)，上部那么根本平穩(wěn)無(wú)事。此效果也正是當(dāng)今結(jié)構(gòu)工程界熱門(mén)追求的隔震處置。從應(yīng)縣木塔看，效果如此良好的隔震措施出現(xiàn)在千年以前，這無(wú)疑是當(dāng)時(shí)一項(xiàng)舉世的偉大創(chuàng)舉。5.2中國(guó)古建柱枋梁剛?cè)嵯酀?jì)結(jié)構(gòu)體系是十分成功的優(yōu)越體系中國(guó)古建結(jié)構(gòu)，不管是考究一點(diǎn)的民宅，還是帝王起居活動(dòng)的宮殿，甚至廟、塔等類(lèi)其上部結(jié)構(gòu)構(gòu)成的主件都具有柱、枋、梁〔檁屬其內(nèi)〕三類(lèi)〔它沒(méi)有當(dāng)今設(shè)計(jì)常用、工地臨時(shí)多用、人類(lèi)自古就熟悉用于扶持穩(wěn)定柱的斜撐類(lèi)構(gòu)件〕。這使人們對(duì)于建筑的靈活使用大為方便，可大開(kāi)門(mén)窗，便于街道形成市面，甚至取消門(mén)窗形成亭、塔、榭。這類(lèi)量大、歷經(jīng)數(shù)百年的木構(gòu)古建能完整保存至今的事實(shí)，有力地說(shuō)明了僅由柱、枋、梁〔一般柱的高寬比以用11[1]，梁檁直壓柱頂，上柱再壓梁上，梁下必有枋，枋與柱以燕尾榫相連，梁枋間適當(dāng)留隙〕組成的古建柱枋梁木構(gòu)體系，其受力性能是合理的，生命力是頑強(qiáng)的颶風(fēng)不倒，地震不塌，技術(shù)成就之大就當(dāng)時(shí)條件而論是驚人的。近一步講，可從以下承重、抗風(fēng)、隔震三方面看出。1屋頂采用舉架做法，這在出現(xiàn)力學(xué)理論之前，它對(duì)細(xì)徑木料用于較大跨度條件是一項(xiàng)高明的技術(shù)手段。力學(xué)計(jì)算說(shuō)明，舉架底柁梁的彎矩比相等跨度梁的彎矩值有可能減小到50%上下。2采用少許加寬的柱身〔高寬比用11，這與當(dāng)今木結(jié)構(gòu)、砼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[2]、[3]中可允許高寬比到35～50相比，明顯看出匠師的用心所在〕，梁放柱頂，梁上再立柱的營(yíng)造法那么，這使梁在上下柱間具有了透榫的特性，具有了對(duì)柱較強(qiáng)的傳力移位效應(yīng)，在古建自重較大的情況下這使多層結(jié)構(gòu)〔如塔類(lèi)建筑〕的抗風(fēng)能力大為加強(qiáng)。但同時(shí)由于上下層柱確系斷開(kāi)，故對(duì)隔震不存在不利影響。3不用很簡(jiǎn)便的斜撐將柱支穩(wěn)，而是選設(shè)兩端做燕尾榫的枋件〔初看，與承受豎重絲毫無(wú)關(guān)〕與柱卯接，此營(yíng)造法那么使結(jié)構(gòu)具有了能成功隔震的機(jī)制，從而使地震對(duì)結(jié)構(gòu)的危害減為最小；同時(shí)對(duì)單層的抗風(fēng)能起可靠作用?？梢韵胂笠陨显诔兄亍⒖癸L(fēng)、隔震三方面結(jié)構(gòu)都具有優(yōu)越性的古建，其對(duì)柱枋梁剛?cè)嵯酀?jì)而不倒的三要素〔取消斜撐用寬柱、梁出懸頭隔開(kāi)上下柱，設(shè)枋做榫卯連柱〕的構(gòu)成絕不會(huì)是隨機(jī)偶然的組合。它是古代具有超凡悟性智慧的匠師們通過(guò)代代相傳對(duì)颶風(fēng)、強(qiáng)烈地震的觀察、思索、比試、分析。不斷地悟出力學(xué)上一點(diǎn)一滴的感知概念知識(shí)！不斷開(kāi)展、改良直至成熟，雖然他們?nèi)狈毫W(xué)的理論根底，但他們聚合積累的深刻感認(rèn)知識(shí)使他們能穩(wěn)重屢進(jìn)地對(duì)古建結(jié)構(gòu)作出颶風(fēng)不倒，地震不塌的法那么決策與不朽的工程業(yè)績(jī)。5.3在結(jié)構(gòu)技術(shù)上中西古建的比照人類(lèi)自從有了營(yíng)造意識(shí)以來(lái)，就一直為改良人們生活居住的房舍而努力，在技能底下，工具簡(jiǎn)陋的營(yíng)造作業(yè)歷史長(zhǎng)河中，人們都是面對(duì)取材廣泛的林木，著力進(jìn)行著以木材為主的房舍營(yíng)造。以木為主——這不是那個(gè)民族或那個(gè)帝王的旨意。它是由技術(shù)與物質(zhì)條件所決定，一是材料來(lái)源廣泛；二是搬運(yùn)與加工相比照擬方便；三是在其內(nèi)生活較比舒適。就此根本條件而論，可謂東西方的房舍營(yíng)造是同時(shí)起步的。然而直至現(xiàn)代科技〔力學(xué)、鋼材、水泥〕出現(xiàn)時(shí)，東西方在房舍營(yíng)造的技術(shù)、藝術(shù)、遺留古