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中国古建木结构设计布置

作者: 更新时间:2019/10/17 8:42:06

常见木结构,主要有木屋、凉亭、长廊等,概念设计最重要的成果之一就是确定结构的整体方案,而整体方案中最重要的就是建筑物体型的选择.对国内外历次大地震后建筑物震害的调查研究表明,建筑的体型对其抗震性能有直接的影响.体型规则、对称和均匀的建筑具有良好的抗震性能,而体型不规则、不对称和不均匀的建筑则极易产生震害而导致结构的破坏,甚至发生倒塌.

1.1 平面结构布置

现存的历史文献资料及建筑实物都表明,中国古代木构建筑的平面布局绝大多数采用矩形、方形、六边形、八边形以及圆形等较为规则且具对称性的几何图形,具有规则性、对称性及均匀性等特点.矩形房屋的长宽比皆在2以下,避免了建筑物过长(长宽比>4)时房屋两端受到不同地震运动的影响而产生的反相位震动,避免产生不利的扭转影响;方形、六边形、八边形以及圆形等平面为多轴对称,可以抵抗来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减少5%的风压,有利于增强结构的抗风性能.我国现存最古老的木塔—建于辽清宁二年(公元1056年)的山西应县佛宫寺释迦塔,就是平面为正八边形的一座建筑,在过去的900多年中,经历了多次地震,仍然屹立如初.

建筑平面抗震要求的均匀性主要指的是结构的均匀性,即主要抗侧力构件的布置要均匀,尽量使建筑物的质量中心与抗震结构体系的刚度中心的位置接近,以减小地震作用下产生的偏心扭转的影响.木结构古建筑中的抗侧力构件主要指的是柱子,因此,柱网的布置也就决定了整个结构体系的抗侧刚度的分布.《营造法式》给出了殿堂结构的柱网布置图—“殿阁地盘分槽”图,把殿堂结构的柱网分为了四种形式:金厢斗底槽、分心斗底槽单槽和双槽,如图1所示.从图中可明显地看出,除单槽外,其他三种结构抗侧力构件的布置在纵横两个方向刚心与质心都重合,符合均匀对称的原则,而单槽只在纵向重合,横向刚心和质心重合或略有偏差.但总体来看,古建筑结构布置具有均匀性,有利于防止地震作用下扭转效应的产生,消除了这

一最不利受力情况的影响.

木结构布置

1.2 竖向结构布置

在建筑物的竖向,影响建筑体型抗震的重要问题就是建筑物的高宽比,它是建筑物抗倾覆能力的衡量标准.根据现有的工程实践经验,框架结构的高宽比在地震区宜为3~4,非地震区宜在5以内.我国现存最高的木构古建筑为应县木塔,它的高度相当于现在的23层高层建筑,高宽比仅为2.3.宋代《营造法式》对柱子的高度与开间尺寸的关系作了明确规定:“柱虽高不越间之广”,这种做法实际上是对高宽比的限制,在结构整体抗倾覆方面具有重要作用.假设上部结构为刚体,竖向地面加速度为aV(t),结构的总质量为m,重力加速度为g,地震方向的结构宽度为B,结构质心离地面的高度为H,础石与木柱之间的静摩擦因数为fs.由于柱脚平搁在高出地面的础石之上,在水平荷载作用下,础石会提供一定的静摩擦力,但当水平荷载超过二者之间的最大静摩擦力时,结构则会发生沿水平作用方向的滑移,因此柱底最大剪力不会超过础石与木柱间的最大静摩擦力,即Fs≤fsm[aV(t)max+g]此时只要满足下式,结构就不会发生倾覆:M抗倾覆=m[aV(t)max+g]B2≥mfs[aV(t)max+g]H=M倾覆,化简得B2H≥fs由于屋盖的重量占结构总重量的绝大部分,所以结构的质心位置可近似取为柱顶,则H 为柱高度.

结构在横向的尺寸要小于纵向长度,所以B 可视为结构的总进深.古建筑中除了亭榭等小型建筑外,其他大多数建筑如殿堂、厅堂建筑的面阔和进深都大于柱高度的两倍.即使对于单开间的建筑,从《营造法式》中所规定的“柱虽高不越间之广”的条文中也可以明显地看出B2 H>0.5.近些年对古建筑研究表明,柱础石与木柱间的摩擦因数fs≤0.5.因此得到满足,结构在遭遇地震作用时只会发生滑移,而不会整体倾覆,说明木构古建筑控制高宽比以及柱脚平摆浮搁的做法起到了抗倾覆作用.


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