古建筑榫卯联接结构的力学合理性分析与优化.pdf

《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