房屋类木结构古建筑抗震性能分析.pdf

37第 40 卷增刊建筑结构 2010年 6 月房屋类木结构古建筑抗震性能分析葛安祥1，谢剑1,2，杨建江1,2，张爽1（1 天津大学土木工程系，天津 300072；2 天津市土木工程结构及新材料重点实验室，天津300072）摘要 回顾和总结了已有木结构古建筑抗震性能研究成果针对分布最为广泛，存世量最大，也最具代表性的房屋类木结构古建筑，重点分析了其柔性框架、台基隔震、斗拱承托、榫卯连接的抗震机理房屋类木结构古建筑的“刚柔相济、以柔克刚、滑移隔震、耗能减震”抗震设计思想为现代工程结构设计提供了一定思路关键词 古建筑；木结构；房屋类；抗震性能Analysis on aseismic performance of ancient timber housing buildings Ge Anxiang1，Xie Jian1,2，Yang Jianjiang1,2，Zhang Shuang1(1 Department of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2 Tianjin Key Laboratory of Civil Engineering Structures and New Materials,Tianjin 300072,China)Abstract:A review and summary of the existing research on aseismic performance of timber structure of ancient architecture was presented firstly.And then,an aseismic analysis was carried out on the ancient timber housing structures,which was the most widely distributed ancient buildings,surviving largest in the world and the most representative.The aseismic mechanism of flexible framework,platform isolation,dougong supporting,and mortise-tenon joints were emphatically discussed.Aseismic design ideas of ancient timber housing buildings,such as tamper force with mercy,conquering the unyielding with the yielding,slipping isolation,and energy dissipation to absorb shock,are useful reference for the modern design of engineering structures.Keywords:ancient buildings；timber structure；housing；aseismic mechanism 0 引言木结构古建筑经历多次地震和其他自然灾害的侵蚀仍能保留至今，说明其具有一定的抗震防灾能力。

木结构古建筑之所以能历经沧桑而大量长存，很大程度上是因为木结构古建筑“柔性框架、台基隔震、斗拱承托、榫卯连接”的抗震机理，以及木结构古建筑体现出的“刚柔相济、以柔克刚、滑移隔震，耗能减震”抗震设计思想我国各式各样的木结构古建筑很多，其中房屋类木结构古建筑是最重要的一种，其分布也最为广泛从结构工程的角度来看，房屋类木结构古建筑体现在结构抗震设计上的优点主要有：1）整体性（整体配合），主要表现在建筑的平面和立面的设计上；2）以柔克刚，往往体现在细部构造的处理上；3）积柔为刚、刚柔相济1，是整体配合和以柔克刚等设计思想融合升华的结果正是这些思想的有机结合，我国的古代工匠借助极原始的木、石、砖、瓦等材料，建造出许多结构灵巧而抗震性能极高的建筑1 房屋类木结构古建筑结构特点1.1 木框架房屋类木结构古建筑采用木框架作为承重构件，墙体只起划分空间，即分割作用而不承重，所以有“墙倒屋不塌”的特性房屋类木结构古建筑的木框架可分为抬梁式、穿斗式、井干式3种结构体系抬梁式结构体系占主导地位，其基本构造方式是沿着房屋的进深方向在石础上立柱，柱上架梁，再在梁上重叠数层瓜柱和梁，最上层梁上立脊瓜柱，构成一组木框架；在平行的两组木构架之间，用横向的枋联络柱的上端；再在各层梁头和脊瓜柱上安置若干与构架成直角的檩，檩上排列椽子，椽子上放望板，最后望板承受屋面的荷载。

1.2 大屋盖房屋类木结构古建筑的屋顶结构形式最主要的有庑殿、歇山、悬山、硬山、攒尖等但不管哪种形式，名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -38 其基本的受力体系都是望板或望砖、椽子、檩条等将瓦屋面荷载传递至梁架，最后由木柱传至基础32 房屋类木结构古建筑抗震性能房屋类木结构古建筑从下到上分为台基层、柱框层、铺作层及屋盖（图1）其中木框架承受结构绝大部分荷载作用，而墙体只起分割和围护作用当地震来临时，墙体可以倒塌，木框架结构体系通常是不会坍塌的房屋类木结构古建筑之所以能表现出良好的抗震性能是由于其独特的结构特性和构件连接方式图 1 木框架分层示意图2.1 建筑材料西方建筑华丽高大，并且常采用石砌，如：金字塔，狮身人面像华夏民族长久以来，古人多选用拆建方便，来源丰富的木材作为建筑材料至今，国人还常常在钢筋混凝土的世界里用木材装饰房屋力求回归自然木材属于柔性材料，其抗震方面具有较大优势主要表现在，木材材轻质匀，具有耐拉，耐弯和富有弹性的特点木材在地震过程中的变形，能很好地吸收和消耗地震能量，并且具有较强的恢复变形能力在水平地震作用下可以产生较大的侧向变形而不致断裂破坏，并有一定程度可恢复原状的能力。

相关研究表明4,5，房屋类木结构古建筑中各类木构件的物理特性大多表现为弹性且各向异性因而其变形及顺纹抗拉、抗压能力较高，但横纹受压能力很弱因此，至今尚可见到的经历几千年的木结构古建筑，其柱构件的承载能力基本上没有大的问题，而梁式构件在承载能力方面的问题则相对较多故古建筑构件中常见因截面尺寸不足、荷载作用时间过长等因素导致有过大弯垂变形2.2 结构型式2.2.1 平面布局房屋类木结构古建常常是正中间的一间（明间）最大，两侧的次间和梢间较小这种主次分明的建筑布局，对抵消地震的扭转效应是非常有效的另一方面建筑物在外型选取上常采用长宽比小于2:1 的矩形或近似正方形，这就使建筑物的质量和水平刚度随高度的变化比较均匀规则对称的平面布置方式使建筑物的质心与建筑物的刚度中心最大程度的重合，极大的避免了建筑物在遭受地震作用时，由于建筑物质心与刚心不重合而造成的扭转效应对墙体的剪切作用2.2.2 立面布置由于建筑外型上的规则性以及平面布局上的对称性，建筑物立面上的荷载的分布也就均匀对称并且这种布置方式可以最大程度上的避免竖向荷载的偏心作用房屋类木结构古建筑立面布置的另一大优点就是，建筑物通常采用低而宽的稳重体形，并且较小的柱高还可以保证柱架具有较强的抗侧移能力。

2.2.3 整体性房屋类木结构古建筑巧妙的在柱之间设置梁枋构件，达到了现今意义上圈梁构件的功能，极大的增强了建筑物的整体性（图2）房屋类木结构古建筑主体结构是用木构件组合而成的框架体系，房屋的纵向通过“枋”的连接亦构成框架这种双向框架结构能十分有效地将结构自重和地震作用传至基础具体说就是房屋类木结构古建筑通过檐柱与金柱之间的穿插枋，金柱与金柱之间的金枋组成了一圈封闭连续的现今意义上的圈梁；另一方面檐柱与金柱之间的抱头梁，金柱与金柱之间的随梁亦组成了另一道连接牢固的圈梁这两道圈梁使建筑有了很好的整体性，于是建筑物抵抗地震作用的能力也就得到了极大的提升另外，由于房屋类木结构古建筑木框架是超静定结构体系，地震作用下即使局部构件受损，也不致造成整个木框架倒塌故房屋类木结构古建筑往往能经受较大的地震作用，不仅“不倒”而且“可修”图 2 大木作结构框架图2.3 基础的处理房屋类木结构古建筑的基座又称为台基（图3）名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -39台基因建筑等级的不同分为多种，最高档次的台基是故宫太和殿的三重汉白玉须弥座台基一般宫殿建筑的台基为一层，有须弥座台基，也有城砖砌筑的直方台基。

较高的台基周围都有石栏杆，是为保证安全用的小式建筑的台基一般是一尺至二尺高的台子一般台基都比较大，高出地面一定高度，根据宋代营造法式的“筑基”的规定，台基用夯土和碎石分层夯实，可以看作是刚度分层的地基其具有柔性隔震作用，可以衰减部分地震力的峰值加速度台基四周用条石、片石或砖砌成台帮，可为台基提供良好的侧限约束，保证台基的整体性，减少古建筑的不均匀沉降，对抗震有利图 3 台基另外从整体上来说，台基基础是一种面积较大的整体式基础基础土层通过夯实加高，使基础顶部往往高于地面数尺，最后在台明上放置柱顶石，建筑物的柱子放置在柱顶石上这种基础类似于现代结构工程的“筏式整体基础”，其有了近似于现代隔震的功能就好比把建筑物放在了一块弹簧板上，无论外面地震响应如何大，建筑物仍可保持较高的稳定性古代工匠对于柱子的处理不只限于“收分”的处理方式对柱子进行“侧脚”的处理，使柱子向建筑物内部微微倾斜，这样当建筑物遭受地震作用时，柱子可以有一定的滑移能力当地震力作用过去后，柱子有一定的可恢复到原来位置的能力这不仅可减小地震作用对上部结构的震荡冲击，又能有效避免建筑物在底部出现剪切破坏（这种破坏对结构极为不利）柱础又称柱顶石，清称古镜。

其埋设于台基中的碌墩之上，上置柱这种处理方式使柱与基础自然分离6另外，柱脚与柱础的连接形式多为浮摆式平面接触木柱平摆浮搁置在水平础石镜面上，础石对柱脚提供竖向支持力和一定的水平摩擦力，可适当滑移地震作用下，木柱子根部摩擦滑移和转动可以起到隔震和减震耗能的作用，一定程度上减弱地震作用对上部结构的破坏2.4 细部处理2.4.1 斗拱斗拱是中国古代木结构建筑所特有的构件其由水平放置的方形的斗、弓形的拱以及斜置的昂组成（图4）斗拱常用于檐下，其主要作用是作为大型或较大型建筑柱子与屋架（或称上架与下架）之间的承接过渡部分，具有承上启下，传递荷载的功能斗拱通过以柱中心两侧对称外伸的小梁逐层层叠和展开，承接上部梁架、屋面的荷载，并将其集中到柱中心尽量使柱承受轴心压力，以减小偏心弯矩，最大限度地发挥木柱的承载能力另外，斗拱横向作为梁架的支座，承担着支撑上部结构、构造连接、空间过渡的功能在建筑物上下构架之间形成一层斗拱群，这一层由纵横构件，方型升斗组成的颇有弹性的结构层，就形成了一个巨大的弹簧垫层，其对增强结构的抗震性能力非常有效斗拱不但可以利用层间滑移消耗地震能量，同样也可以利用支座转动，转化消耗水平地震作用所输入的能量。

斗拱通过自身的转动会引起梁架及大屋盖的竖向变位甚至振动，然后巧妙地将上部荷载的动能转化为重力势能，进而通过结构构件弹性变形，最终通过各接触面间摩擦消耗掉因此在地震中，斗拱的弹性变形能力将具有显著的吸能能力图 4 斗拱2.4.2 榫卯构件房屋类木结构古建筑中柱和额枋组成的构架以及其他构件之间，通常采用榫卯连接所谓卯就是在木构件上预留的孔，而榫就是在木构件预留的可以放入卯内的端头榫卯构件就是靠榫与卯之间的紧扣产生的摩擦力来维持其连接（图5）由于榫卯节点不可能名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -40 通过榫、卯之间的摩擦力卯紧，加上木材本身的材料特性，就会使榫卯之间有很大的可活动性但正是这些特性，使得建筑物各节点刚柔相济，节点成。