古建筑榫卯联接结构地力学合理性分析报告与优化.docx

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《东南大学学报(副刊)》[ISSN:1001-0505/CN:32-1178/N], 期数:2013年第4期 页码: 849-855 栏目: 土木工程 古建筑榫卯联接结构的力学合理性分析与优化及相应推广设计 王云飞 於恒 花逸扬 林雨豪 孙延超 摘要 简要分析了抬梁式建筑的等应力设计原理,分析了部分重要构件及重要节点,并对相应节点设计提出了改进意见。 关键词:古建筑 榫卯 力学分析 榫卯结构的受力特性 榫卯结构,是通过卯口与榫头的结合,以达到一种横向或纵向传力的结构,节点处往往比较薄弱,榫卯结合处一般不能承受较大的弯矩。 榫卯连接节点属于半刚性节点,在榫头拔出的过程,结构构件会产生很大的变形和相对位移,可以使结构的内力进行重新分配。 由于制作误差及木材本身特有的弹性,榫卯难以完成严格意义上紧密结合,在结构的初始受力阶段,连接节点更近似于铰接。随着节点变形增加,节点刚度亦随之增加。 由于卯口对榫头有一定握裹力,在地震作用下,榫头与卯口会形成摩擦滑移,从而消耗一部分能量,可以有效减小上部结构的地震反应,减震效果明显。 单位换算 宋尺一尺约为现在国际单位制的32cm,宋斤一斤接近于0.625kg,为方便研究,本文将长度、质量单位统一换算为现行单位。 本文的几点假定 (1)裂缝、木节等缺陷严重影响节点与构件受力性能,较小的荷载便会导致裂缝扩展与加深,在裂缝或木节处突然断裂,发生脆性破坏,非常危险。 由于本文主要进行理论计算分析,故对此不予讨论,计算时,假定所有构件使用之木材纹理皆为顺丝且无任何瑕疵。 (2)古建筑为了抗震需要,常常会使木柱上端向内收敛,谓之侧脚。实验证明,地震作用时,侧脚作用明显。以殿堂为例,一般殿堂外围木柱,面阔方向侧脚1%,进深方向侧脚0.8%,因倾斜角极小,对本文演算之影响可忽略不计,故假定建筑柱身皆为竖直。 (3)因为柱脚以管脚榫与石础相连,柱脚之间连以地栿,且榫卯联接不能提供过大的弯矩,故假定柱脚与基础铰接。由于柱端受相连的斗栱、木枋等约束,故假定柱端受侧向支撑,但竖直方向自由。 (4)因为榫卯联接近似于铰接,结构之间允许较大的相对转角,因此结构体系对地基沉降并不敏感,是以假定微量的基础沉降不会使结构产生相应的附加应力。 (5)考虑到木材瞬时持荷的能力高于长久持荷的能力,计算时不考虑木材的塑性开展,即自中和轴到构件边缘,应力成线性分布,且构件边缘应力不高于构件相应的抗拉、抗压强度为安全。 古建筑的两种典型结构形式 (1)抬梁式 一般斗栱密布,又称大式建筑。 柱身不直接承受檩端荷载,屋面荷载经由脊柱传到小跨度的两椽栿,再由短柱传到大跨度的四椽,六椽,乃至于八椽栿,层层传递,最后以柱首上承梁端。 优点是,采光好,柱网稀疏,内部宽敞,大气恢弘。 缺点是,梁柱用料粗,造价高,山向抗侧刚度不如穿斗式。 属于官式建筑,一般多见于江北。 (2)穿斗式 无斗栱,又称小氏建筑。 柱身细长,柱端直接上承檩条,柱间联系梁上不承重,只起联系作用。 优点是,梁柱用料细,造价低,山向抗侧刚度大。 缺点是,柱网密,采光差。 因为柱间空间狭小,影响使用,一般鲜有严格意义上的穿斗式建筑,多使用小跨度的承重梁,形成一种混合结构,以满足使用需求。 本文将讨论的几种古代建筑形式 (1)殿。 跨度大,柱层、铺作层分界明显,柱等长。 (2)堂。 跨度较殿小,用材较殿亦小,柱层、铺作层分界不明显,柱不等长。 面阔、进深、柱高的取值 (1)各椽平长。 在《营造法式》四、五两卷中,严格规定了大木作各个部分、各种构件的份数,但对于房屋的基本尺度如间广、椽架平长、柱高、出檐等却缺少明确的材份规定。 《营造法式》中写到,“凡用椽之制,每架平不过六尺,若殿阁或加五寸至一尺五寸。” 经考究,发现此处的六尺标准当是三等材的殿或六等材的堂标准。 用六等材之堂,高6寸,厚4寸,每份4分,六尺折合150份。 用三等材之殿,高7.5寸,厚5寸,每份5分,六尺加一尺五寸为七尺五寸,折合亦为150份。 调查发现,华严寺,奉国寺等古建,每椽平长皆在150份左右,是以本文取150份为椽平长。 殿,檐椽加飞子,五跳八铺作,外挑150份加90份加54份,共294份。 堂,檐椽加飞子,三跳六铺作,外挑90加75加45,共210份。 进深十椽,总计1500份。 本文殿用三等材,堂用六等材。 (2)间阔。 殿取十椽七间,堂亦取十椽七间。 单拱长76份,重拱长96份,殿堂一般都用重拱,即每拱宽96份。 《营造法式》记载,“补间铺作一朵间广一丈。补间铺作两朵间广一丈五尺。其间广或不匀,每补间铺作一朵不得过一尺” 经考量,此处所谓一丈及一丈五尺,亦是以六等才论之。 六等才每份4分,一尺为25份,一丈为250份,一丈五尺为375份,加上两个柱头斗栱,则每个斗栱平均占据125份,且每个斗栱所占

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