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古建筑知识

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抬梁式和穿斗式哪个受力强

作者: 更新时间:2021/1/15 13:48:30

中国古代木结构建筑是世界建筑史上一个独特的建筑体系,它包括两种典型的结构类型:抬梁木结构和过桶木结构。前者一般用于宫殿、政府机关、宗教寺院、寺庙、亭台楼阁、木塔等。,注重美观和造型,用料大,风格华丽。后者多用于南方民居,用料少,更经济实用。但是这些古建筑经过几百年甚至上千年的洗礼,遭受了各种天灾人祸,不可避免地造成了一定的破坏,因此有必要采取必要的措施进行加固修复。按照“原样修旧”的原则,需要先掌握其力学性能,再进行强化修复。


抬梁式实验:

加载初期,随着水平加载位移的增大,榫卯之间逐渐挤紧,荷载迅速上升; 加载至Δ = 15 mm 时,木构架开始发出轻微的木纤维受压的“吱吱”声和榫卯之间滑移挤紧的“咯咯”声; 加载至Δ = 60 mm 时,声响已经变得较大,清晰可闻,荷载增长速度开始逐渐放缓; 此后,声响逐渐变大且连续; 加载至Δ = 120 mm时,左金柱的初始纵向裂缝( 原木即有裂缝) 开始发展,发出木纤维撕裂的“嘶嘶”声; 加载至Δ = 155 mm时,左金柱的纵向裂缝最大宽度发展至2 cm,木柱基本劈裂,如图10a 所示; 加载至Δ = 160 mm 时,荷载达到峰值,此时,节点T2 发出一声刺耳的巨响,榫头变截面处出现顺纹撕裂破坏,如图10b 所示,荷载大幅度跌落,继续加载,荷载先迅速回升,然后开始缓慢下降; 加载至Δ = 195 mm 时,伴随着一声刺耳巨响,节点T1'榫头变截面处出现顺纹撕裂破坏,如图10c 所示,荷载大幅度跌落,继续加载,荷载先缓慢回升,此后继续随着位移的增大而下降; 加载至Δ =245 mm时,伴随着一声刺耳的巨响,节点T3 榫头变截面处发生顺纹撕裂,如图10d 所示,荷载迅速下降;加载至Δ = 260 mm 时,馒头榫出现较严重的脱榫现象( 图10e) ,半榫节点拔出严重( 图10f) ,瓜柱柱脚直榫节点转动仍然较小( 图10g) ,木构架侧移较大,即将倾覆,如图10h 所示,停止加载。

木结构受力测试

在该试验中,馒头榫的破坏形态为脱榫破坏,破坏时馒头榫存在显著的剪切变形( 图11a) ; 半榫节点的破坏形态也为脱榫破坏,破坏时榫头上下侧有明显压痕( 图11b) ; 透榫节点T1'、T2、T3 为正向受力( 定义向下受力为正向,向上受力为反向[11]) ,破坏形态为榫头变截面处顺纹撕裂破坏( 图11c ~ 11e) ;透榫节点T1、T2'和T3'为反向受力,由于行程限制,没能加载到榫头下侧受弯破坏,但榫头下侧存在显著挤压变形; 瓜柱柱脚直榫节点的破坏形态也为脱榫破坏,破坏时榫头侧面有轻微的挤压变形( 图11f) 。试验结束后梁、柱以及卯口基本保持完好,其中左金柱由于初始纵向干缩裂缝较大,加载过程中在弯矩、剪力和轴压力作用下,裂缝宽度和长度不断发展,但始终没出现失稳或强度破坏。抬梁式木构架在水平荷载作用下,各榫卯节点陆续进入破坏,加载后期木构架的水平荷载不断下降,最终发生整体倾覆破坏。



穿斗式实验:

加载初期,随着水平加载位移的增大,榫卯之间逐渐挤紧,荷载迅速上升; 加载至Δ = 10 mm 时,开始出现轻微的木纤维受压的“吱吱”声和榫卯之间滑移挤紧的“咯咯”声; 加载至Δ = 35 mm 时,声响已经变得清晰可闻,榫卯节点出现轻微的拔榫现象; 加载至Δ = 50 mm 左右时,荷载增长的速度开始逐渐放缓;此后,声响逐渐变大且连续; 加载至Δ = 190 mm 时,伴随着一声刺耳的巨响,节点T1'榫头截面突变处出现顺纹撕裂破坏,如图12a 所示,此后随着裂缝的发展,榫头不断发生木纤维撕裂的“嘶嘶”声; 加载至Δ = 210 mm 时,持荷过程中节点T1'破坏进一步加剧,基本失效,右檐柱侧移迅速增大; 加载至Δ =240 mm时,荷载达到峰值,节点T1 榫头下侧发生受弯破坏,发出巨响,如图12b 所示; 此时山柱两侧的半榫拔榫严重,如图2c、12d 所示,此后荷载开始逐渐下降; 加载至Δ = 280 mm 时,伴随着一声刺耳的巨响,节点T2'榫头截面突变处出现顺纹撕裂破坏,如图12e 所示,荷载下降的速度逐渐加快; 加载至Δ =315 mm时,持荷过程中节点T2'又发出一声刺耳巨响,裂缝向下发展;加载至Δ = 325 mm时,联系枋榫与柱之间的相对转角已经很大,如图12f、12g 所示,木构架侧移严重,即将倾覆,如图12h 所示,停止加载。

木结构受力测试

在该试验中,半榫的破坏形态为脱榫破坏,破坏时榫头上下侧有明显压痕( 图13a、13b) ; 透榫节点T1'、2'为正向受力[11],破坏形态为榫头变截面处顺纹撕裂破坏( 图13c) ; 透榫节点T1、T2 为反向受力,节点T1 的破坏形态为榫头下侧受弯破坏( 图13d) ,节点T2 由于行程限制,没能加载到受弯破坏,但榫头下侧存在显著挤压变形; 联系枋榫由于截面没有削弱,因此始终没有发生破坏,但加载结束时枋的上下侧有显著的压痕( 图13e、13f) 。加载结束后梁、柱以及卯口基本保持完好。穿斗式木构架在水平荷载作用下,各榫卯节点陆续进入破坏,加载后期木构架的水平荷载不断下降,最终发生整体倾覆破坏。


结论

a、在抬梁式木构架和穿斗式木构架加载过程中,榫卯节点逐个破坏,山柱( 脊柱) 两侧的半榫节点拔榫量较大,发生脱榫破坏,透榫发生变截面顺纹撕裂破坏和榫头下侧的受弯破坏,与节点试验中破坏形态相同,最终由于榫卯节点的破坏加剧,两榀木构架均发生整体倾覆破坏,破坏时两类木构架均具有良好的变形能力。

b、抬梁式木构架梁( 枋) 、柱木材用量约为穿斗式木构架的3.5 倍,而前者的峰值荷载约为后者的91%,表明抬梁式木构架的水平荷载承载效率明显较穿斗式木构架的低。

c、 柱顶侧移随着加载位移的增加而增加,存在较好的线性关系,对称的左、右木柱柱顶侧移基本一致,但随着加载位移的增大,各榫头非同步拔出,其对木构架的对称性有所扰动,柱顶侧移逐渐显现出一定的差别。

d、 榫卯之间的初始缝隙在加载初期逐渐闭合,会引起部分榫卯节点拔榫量为负值,之后,透榫、半榫、瓜柱柱脚直榫节点的拔榫量随节点转角的增大而增大; 加载初期,联系枋榫的拔榫量随着转角的增大而显著增大,加载后期,联系枋在卯口中发生整体滑动。

e、 关于山柱( 脊柱) 对称的透榫节点的受弯方向不同,节点受力性能不同,拔榫量-转角关系曲线存在较明显差异,其对木构架性能的影响有待进一步研究。


文中测试来自:

1. 东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,江苏南京211189;

2. 东南大学城市与建筑遗产保护教育部重点实验室,江苏南京210096;

3. 江苏省送变电有限公司,江苏南京210028; 

4. 南京科技职业学院基建管理处,江苏南京210048。


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