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榫卯木结构的性能及现状

作者: 更新时间:2020/9/20 9:37:06

    中国的古建之所以采用榫卯连接,不仅缘于当时的木料充足和施工简便,还因其抗震能力较高。历史己经证明,中国的木构建筑能够抵御里氏七、八级的地震。地基的振动虽然会引起榫卯连接的木结构基石的运动,但基石与木柱间因没有固定联结,可以允许一定量的水平位错,于是便大大降低了地基传到结构的水平振动能量,加之木结构具有自重小,弹性好,可容许的变形幅度大等特点,故木结构的延性大,耗能能力强,抗震性能好。其次,也是极重要的一点,榫卯结构把柱、梁、斗拱、椽紧密地联结成了一体,形成了富有韧性的柔性联结结构,彼此间没有或仅有极弱的相对运动,避免了局部振动和应力应变的集中。基于这些因素,中国传统的木结构虽屡经地震洗礼,鲜有倒塌。

榫卯图



    公元1056年兴建的山西应县木塔,高67.31米,底层直径30.27米,红松木料,自重2600多吨,塔身有54种斗拱结构,皆由榫卯完成镶嵌、穿插、咬合而成。山西多次地震、数次战乱,木塔依然气定神闲,巍然屹立,显示出木结构建筑良好的抗震性能。同样,湖南的岳阳楼、浙江的保国寺、北京的天坛等木结构巨作也都采用榫卯联结,达到了极致的拼结,具备了很好的抗震性能。

榫卯结构图

    中国古建筑研究己经从少数先驱者的惨淡经营进入了百家争辉的局面。不少专家学者对古建筑进行了较翔实的考察和实际测绘及试验工作,整理出了一大批珍贵资料,取得了丰硕的研究成果。

    (1)徐其文:通过对中国古典建筑木结构建筑形式的分析,总结了中国古典建筑的木结构特点。在分析木结构建筑的主体特征的基础上,运用力学分析手段对木结构建筑的榫卯、梁柱以及斗拱等典型构件进行了特性分析,并给出了进行有限元分析的简化单元模型。

    (2)竺润祥:将榫卯连接的古木结构视为半刚性连接结构,对其进行静力分析,包括应用接触理论求得榫卯连接处的刚度以及考虑连接刚度的结构,整体分析两部分内容。以宁波保国寺大殿为例对古木结构进行了静力分析。计算结果和分析己直接为大殿的维修和保护提供了科学依据。该方法可供古建筑保护工作者和进行类似结构分析借鉴。

    (3)赵均海:通过对中国古代木结构的结构特性分析,采用变刚度单元模拟真实木结构梁柱的榫卯连接,用虚拟单元的不同刚度条件反映真实的半刚性连接,将变刚度单元引入有限元程序分析,对西安东门城楼进行了弹塑性有限元分析,得出了不同刚度系数下的力学性能,为古建筑木结构研究提供有用的资料。

    (4)丁磊:引入反映古代木结构榫卯连接的半刚性单元,建立了西安鼓楼的二  维有限元模型,并对其进行了动力特性分析以及地震时程响应分析,得到了鼓楼结构的前10阶自振周期和振型。结果表明:榫卯连接在地震荷载作用下可以吸收  相当的能量,大约占到总能量的30%,这种连接方式使木结构振动具有较大的衰减性,从而具有较好的抗震性能。

      很多古建筑研究课题组近年来做了一系列的科研探索。进行了文献研究、实物考察及试验研究。收集了国内外现有研究成果,结合《营造法式》、《清式营造则例》、《中国古代建筑技术史》、《营造算例》等重要古建筑文献资料,多次对典型古建筑结构进行实地考察测量。并以《营造法式》为基点,对古建筑木结构的构造、形制、结构功能进行了深入研究。几十年起课题组以宋《营造法式》为准,对中国古建筑木结构殿堂木构架、各构件、斗棋、榫卯节点、柱础隔震及木材材性进行了一系列的基础性试验,包括静力和低周反复荷载试验,对殿堂房屋单元模型进行模拟地震振动台试验和加固后房屋的振动台试验,对木构古建筑结构性能、抗震机理、加固方法进行基础性理论研究。

榫卯结构图

上述研究成果主要着眼于古建筑整体的动力性能和减震特性,简化榫卯半刚性连接,通过实验对榫卯、斗拱的减震作用进行了定性分析。对榫卯节点的动力特性及榫卯结构的耗能减震机理作了相当的研究。但是人们对真理的认识是永无  止境的。榫卯自身性能的研究尚不充分。榫卯的计算模型还有待进一步完善,榫卯结构的动力特性、减震机理在理论上远不能说是接近成熟。


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