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木结构古建筑承重之木构架

作者: 更新时间:2021/1/22 20:21:23

古建筑的承重体系是由柱子和额枋通过榫卯连接而成的柱架系统以及由梁栿层层相叠而成的抬梁式梁架系统组成的,柱架中的柱子不但外观形式上做了形式优美的卷杀处理,而且还有生起和侧脚等特殊做法,这些做法具有的很强结构意义.在古建筑物的正立面上,每个开间的柱高并不相同,而是自当心间的平柱向两侧的角柱逐渐增高,这就是柱的“生起”.《法式》对用柱之制的描述:“凡用柱之制,……至角则随间数生起角柱.”又对生起的尺寸做了具体规定:“三间生起二寸,五间生起四寸,七间生起六寸,九间生起八寸,十一间生起一尺,十三间生起一尺二寸”.

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角柱“生起”只在殿堂式建筑中使用,不但造就了这种形制地位最高的古建筑从心间到尽间曲面上扬的优美的弧形立面效果,而且具有深刻的力学及结构意义.一方面,由于柱间高差的存在,使得连接两柱头的阑额略微倾斜,在竖向荷载作用下会产生轴向应力,所有阑额的轴向应力是沿杆件的、方向为指向心间的推力,起到了挤紧压实榫卯节点的作用,增强了榫卯连接节点的连接刚度,提高了整个柱架的抗侧移能力.另一方面,沿进深方向,同一列柱子的高度也不相同,山面中柱的高度要低于角柱.由于木构架在横向的抗侧刚度较弱,所以在遭遇地震时会产生较大的变形,位于柱头和额枋上的铺作层也会发生变形或滑动,稍微向内倾斜的铺作层也会产生指向柱架中部的分力,抵消了一部分水平地震作用,一定程度上限制了铺作层的位移,使其不会滑出柱架之外,进而避免了屋盖的落架.


对于造柱之法,除了“生起”之外,还有“侧脚”的做法,即把建筑檐柱的柱底向外斜出,柱头就自然地向内倾斜,正面檐柱将柱底中心位置向外移出柱高的1/100,山面檐柱柱底中心线向外移出柱高的0.8/10,角柱则相应的向两个方向分别侧脚1/100和0.8/100.柱侧脚改变了立柱要垂直于地面传统理念,柱与柱之间不再是平行关系,而是呈一定的角度,使房屋的外轮廓略呈梯形.由水平构件连接而成的互相平行的柱子在水平荷载作用下侧移会变为平行四边形,是几何可变的.而侧脚之后柱与柱的延长线会相交于一点,形成“虚铰”,虽然没有改变柱架几何可变的特性,但是柱子倾斜所产生的水平力会压实挤密阑额与柱子的榫卯连接节点,如果说自然连接状态下榫卯节点的特性接近于铰接的话,那么压实后的节点所具有的抗弯能力会有明显的提高,构架趋于几何稳定,不再是纯粹的几何常变体系,两者之间的差别.侧脚后的建筑在承受水平力时要比矩形框架更加有利,在地震作用下柱架会产生侧移变形,但是由于侧脚的存在,变形会自动恢复,柱架成为了一个在水平荷载作用下的自动复位系统.

木结构图

侧脚的构架在水平力作用下发生变形,一侧的柱子倾斜角度加大,另一侧的则趋向于竖直状态,因此柱架上方的屋盖系统则作平面运动.设转动角度为θ,屋盖的自重记为G,则沿斜面的分力为F=Gsinθ,F使倾斜的屋盖有恢复原有状态的趋势,只要柱架的变位不会导致榫卯节点破坏,柱架就会回到没有受到水平作用力时的平衡位置,F就是恢复力,方向始终指向平衡位置.柱之间的连接除了使用各种额枋等水平构件外,在一些建筑中还使用了另外一种构件———柱间斜撑,也可称为斜柱.我国现存建筑时间最早的高层楼阁式木结构建筑———天津蓟县的独乐寺观音阁中,就使用了斜撑.观音阁柱网为“金厢斗底槽”,外观两层,实则三层,中间有一暗阁.由于要安置很高的佛像,所以明间为六角形空井,为了避免空井结构影响高层楼阁的稳定性,在明间檐柱与中柱之间设置了斜撑,并且在暗阁内(中间层)和第三层纵向外围壁体内施加斜撑,斜撑的设置,可保证建筑结构的整体稳定,提高侧向刚度,并且在地震作用下能够传递纵横向水平力,是一种重要的连系杆件,在应对地震方面具有很重要的贡献.据历史资料记载,自重建以后的千余年来,观音阁经历了28次地震,其中清康熙十八年(1679年)的三河、平谷发生8级以上强震,“蓟县城官廨民舍无一幸存,观音阁独不圮”,只是木柱略有走闪,表明了设置斜撑的结构体系的抗震性能得到了大幅度的提高.

(注:文摘自西安建筑科技大学学报第43卷第4期)




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