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中国古建筑木结构力学进展

[摘要]中国古建筑是我国文化遗产的重要组成部分,不仅具有较高的历史文化价值,其木结构力学性能对于我国建筑行业的发展也具有一定的参考价值.本文将从木材力学性能以及木架构整体受力性能两个方面对近年来我国学者对古代木结构建筑的研究进展进行阐述.

[关键词]中国古建筑；木结构；力学性能

文章编号：2095 -4085( 2018) 07 - 0042 - 02

中国古建筑以结构性能优越、形式优美而著称,是我国文化传承的重要部分.随着时间的不断推移,对古建筑的保护受到了越来越多的关注.从上世纪30年始,我国学者对古代建筑的研究一直未曾停止,结构研究是其中的重要分支.本文总结了近些年来我国在古建筑木结构方面的研究进展,希望能够为今后的研究奠定坚实的基础.

1 中国古建筑的木材力学性能研究

我国以木材打造建筑的历史可以追溯到石器和青铜器时代,经过长久的实践探索,先人们总结出了一套完善的木结构营造技术体系.以木材为结构的建筑,木材自然是需要着重研究的一点.

1.1 环境因素造成的木材材性劣化

很多古建筑的木构件在千百年的历程中,因虫蛀、老化或是真菌腐朽等原因出现了不同程度的材性劣化现象,但其材性是如何变化的是一个值得深究的课题；我国学者在这方面的研究不在少数,如《古建筑木结构维护和加固规范》编制组的曹旗、王晓欢以及陈国营等通过对易昌陵碑楼、故宫武英殿、北岳庙大殿等多个古建筑木材的材性进行了对比分析,发现长期使用后的木材,是由于发生了物理作用和化学反应才会出现各项力学性能指标的降低,且木材种类对这一趋势有着一定的影响.

此外,为了消除古建筑旧木材缺乏和新旧木材不一致对材性试验结果的干扰,徐明刚等人探索出了接种腐朽菌加快木材腐朽的试验方法,最终获得了不同腐朽等级木材的物理力学性质及其衰减变化规律.

1.2 蠕变、荷载持续作用对木材造成的损伤累积研究

木材是一种黏弹性较强的材料,在荷载作用的长期影响下其变形程度会持续增加,且其强度也会随着时间的推移不断降低.在此过程中,外部温度、湿度等环境因素则会加快这一趋势的发展,造成木材的损伤累积.截止到目前为止,和上述内容有关的研究进展如下：利用弹簧和黏性元件组成的Max-well模型和Voigt模型是木材蠕变研究中应用较为普遍的力学理论模型,Madsion曲线为表征木材荷载持续作用的实验曲线.此外,李瑜、王雪亮等人首先采用Gerhards累积损伤模型对木构件的剩余强度和寿命进行研究.而关于古建筑蠕变和荷载持续作用的研究仍旧处于空白状态.

2 古建筑木构架受力性能的研究

通过对我国古建筑结构形式的总结归纳,可以将其分为抬梁式、密梁平顶式、井干式以及穿斗式四种.其中抬梁式的代表有宋朝的殿堂建筑,穿斗式结构的建筑广泛分布于我国长江流域和东南、西南地区,井干式结构建筑多见于东北林区和西南山区.密梁平顶式结构建筑主要分布在青海、西藏等地区.

2.1 古建筑结构概念体系分析

我国陈志勇从工程力学的角度出发,对古建筑木结构中的“侧脚”以及“生起”的结构作用进行了研究,发现侧脚可以使柱架的阑额和普拍枋在竖直方向荷载下产生轴压力,进而使梁柱节点相互紧密结合,获得较强的抗弯性能.同时,在水平方向荷载的作用下,对柱架的传力路径进行了优化,极大的削减了柱架承受的不利内力.此外,侧脚还能够发挥出强化柱架抗倾覆性能的作用.而生起和侧脚发挥的作用较为类似,一方面对柱架水平方向上荷载的传力路径进行了优化,降低了柱架侧移及其引起的重力二阶效应.另一方面则降低了柱架的倾覆力矩,提升了其抗倾覆性能.由此可见,侧脚和生起在古建筑木结构中主要发挥着稳固的作用.

此外,张鹏程等、陈华等、古今元等从柱网布置、木构件柔韧性、重屋顶、侧脚以及生起等方面切入,对古建筑的抗震体系进行了研究.吴玉敏等对金厢斗底槽殿堂式建筑进行了研究,重点分析了其“高位不倒翁”以及“柔颈”现象,将二者归纳为古建筑具备高强抗震性能的主要因素.

2.2结构动力特性

对古建筑而言,结构动力特性直接体现了其木结构的振型、频率以及阻尼等特性,是木结构抵御动荷载性能研究过程中不可缺少的一项特性.如我国李铁英、车爱兰等利用环境振动试验对应县木塔在小振动水平下的频率、振型以及阻尼等进行了测试.试验表明古建筑木结构的自身频率全部低于1．5Hz,不会和地震发生共振,这说明古建筑具有良好的抗震性能.

3结语

综上所述,本文简要阐述了近些年我国古建筑木结构受力性能以及木材力学性能方面的研究.对研究成果进行了总结,并指出了研究的薄弱点,希望能够为后续研究提供一定的方向,促进我国古建筑的良好保护.

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