古建筑木结构的结构性能研究综述

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  摘要:现在人们越来越重视古建筑的建筑结构,同时开始针对古建筑的结构形式进行了大量研究和分析。本文针对古建筑木结构的营造特点进行了介绍,同时还论述了古建筑木结构的性能问题。
  关键词:中国古建筑;木结构;结构性能
  木质结构在古建筑当中非常的常见,随着历史的不断推进和变化,很多木质结构在经历自然灾害、战火以及雷击之后,仍然能够很好的保存下来,这就是古建筑木结构良好性能的一种体现。本文针对古建筑木结构的的结构性能进行了研究,希望不仅可以对古建筑的维护具有一定的作用,同时还能够对现代建筑结构提供一定的借鉴作用。
  1.古建筑木结构的木材性能以及结构特点
  1.1木材性能
  优质木材在古建筑当中应用的比较多,其主要具有以下几个方面的优点:①古建筑木材的韧性往往比较好,其需要对一定的冲击和震动起到承担作用;②古建筑木材通常具有较大的强度,而且具有多孔结构,这样能够使木材本身产生较好的保温性能;③古建筑的木材可以在水环境或者干燥环境当中得到长期的保存,并且仍旧具备比较好的性能,很少会出现变形的情况;④古建筑木材一般具备加工方便以及操作方便的优势,可以将很多种造型和结构制作出来,不仅非常坚固,同时还具有美观的特点;⑤古建筑木材具有较为广泛的木材资源,因此能够实现大面积的利用,同时木材在解体之后还不会使环保以及生态环境受到影响。
  1.2结构特点
  木结构在古建筑当中应用的比较广泛,这是由于木质结构的性能比较好,能够对全部建筑结构的荷载起到有效的承载作用,而且其稳定性还能够持续非常长的时间。古建筑具有比较复杂的式样以及较多的种类,其中主要包括攒尖建筑、卷棚建筑、硬山建筑、歇山建筑以及庞殿建筑等各种类型。在设计布局方面古建筑具有层次分明以及均匀对称的特点,并且往往会采用中心庭院、四周房屋的布局[1]。
  2.古建筑木结构的结构性能
  作为应用最为广泛的古建筑结构,木质结构在现在受到了普遍的重视。而殿堂式的古
  建筑木质结构可以被划分为以下几种形式,也就是铺作层、柱架层以及台基层等结构分层,下面本文针对个分层结构的特点以及力学性能进行分析和探讨。
  2.1台基层的特点以及结构性能
  相对于现代建筑结构而言,古代建筑木结构具有较多的不同之处,古建筑的主要木结构台基层除了包括磉墩以及基础石之外,同时还包括磉墩下面的人工夯土台基础。采用这种结构能够使古建筑结构的美观度得到充分的保证。一些古建筑结构往往采用人工夯土台基制作基座,这样就能够有效的保证整个建筑结构的安全和稳定。整体结构上部区域会由于高台基的设定从而将自身的动力特性改变掉,其指的是上部结构区域会由于该结构而产生不断增加的位移加速度。大量的古建筑木结构研究证明,放大是高台基的主要功能,其能够对地面运动地下结构产生直接的影响,特别是处于顶部结构的钟楼木结构,其能够达到容许范围的5-6倍的水平响应速度。因此古建筑结构振源以及隔振是在古建筑结构保护中必须要重视的两个方面。一旦发生地震,肯定就会对建筑造成较大的影响,一旦结构当中存在着不稳定的因素,就会使建筑物的整体性能受到极大的破坏。然而古建筑木质结构当中存在的柱脚以及隔震体系等都会缓解建筑物受到的地震影响。经过大量的研究表明。如果在发生地震的情况下,就会有滑移的现象出现在建筑的柱脚中,首先这样就能够有效的降低振动的能量,最终可以在强震的作用下使振动对建筑物的影响降到最低;其次地震作用产生的能量还会在柱脚的滑移作用下向其他方位传递,这样滑移就可以将阻尼提供出来,大幅度降低整体建筑结构的相对的速度、相对位移的峰值以及加速度,最终能够使整体建筑的结构得到有效的保护[2]。
  2.2柱架层的特点以及结构性能
  作为古建筑中比较重要的结构,柱架层结构具有自身的特点。在柱架层结构当中不会选用铁以及钉子,其在对柱梁生起、侧脚和节点的雀替和柱架进行连接的时候采用榫卯,这样就能够将完美的古建筑结构打造出来。经过对生起以及侧脚的大量研究,我们可以发现木质结构的位移在侧脚和生起的作用下得到有效的降低,并且能够使各种构件受力得以不断的减少,最终使建筑物整体结构的抗震性能得到有效保证。同时檐柱的轴压力响应峰值、加速度峰值、柱头位移响应峰值都能够通过侧脚结构以及生起结构得到有效的降低,充分的保证了整体结构的稳定性。
  相对于现代建筑结构的加腋梁而言,古建筑木结构当中的雀替具有相类似的作用,其不仅能够保证立面的丰富性,同时梁端的抗弯能力以及抗剪能力也会由于雀替的存在而得以有效加强。除此之外,雀替还可以提升节点的强度以及刚度,使额枋的计算跨度得以减少的同时,还能够减轻额枋的应力。
  相对于现代建筑结构当中的节点而言,榫卯节点的特性具有较大的不同,其不仅能够对一定的弯矩进行传递,同时转动能力还比较强。半刚性榫卯节点在水平反复荷载的作用下就会有限位移动以及滑移的现象出现在榫与卯之间,这样就会导致出现挤压变形,并且产生比较显著的滞回耗能减震作用。因为柱脚的存在,可以有效的降低基础跟柱之间出现的约束性。采用这种结构形式能够使整体结构受到的地震的影响得到有效降低,减轻地震过程中对古建筑结构延性的需求。与此同时,在其作用下,础石的倾覆力矩的抗拉也会得到一定程度的降低,最终能够使整体建筑结构具备较强的抗震性能[3]。
  2.3屋盖层与辅作层的结构性能
  辅作层就是柱架层和梁架层之间的过渡段。辅作层主要有枋、昂、栱和枓几部分,由交叠的横木组成一个垫梁支座。辅作层的主要作用为支撑大屋顶、起到过渡空间和构造连接的作用。栱和枓可以向挑檐外伸出,避免雨水对柱身造成侵蚀。而且栱和枓的整体结构还具备了降低跨度、耗能减震和传递荷载的作用,能够增加建筑的美观性。在木结构的古建筑中,大屋盖象征着森严的封建等级制度和政治制度,其形式的需要让位于政治的需要。只有皇家建筑、寺庙建筑可以使用庑殿式屋盖,次之则是歇山式屋盖,此外还有一些其他形式的屋盖,例如中间收束的攒尖式、悬山式硬山式卷棚等。
  2.4古建筑木结构的整体抗震性能
  立足于抗震的角度,与现代建筑结构当中的控震、减震以及隔震理念相结合,对古建筑进行研究,我们可以发现古建筑木结构的抗震性能往往比较高。有学者[4]实施了模拟地震振动台试验,定性分析了我国某一古建筑木结构的扭转效应、动力特性以及破坏形态,发现其摩擦隔振性能以及耗能减震性能比较好,同时还将地震相响应规律和古建筑木结构自身的动力特性得了出来,这样就提供了非常详尽的资料,从而使修缮加固古建筑木结构的工作变得更加方便。
  3.结语
  建筑结构直接关系着建筑的质量、性能和美觀,我国的木结构古建筑具有独特的性能和特点,性能优良、美观性强。了解我国古建筑木结构的结构特点,对维护我国的古建筑有着重要的作用,对于现代建筑的结构也可以提供借鉴。
  参考文献:
  [1] 赵鸿铁,张锡成,薛建阳,隋,张风亮. 中国木结构古建筑的概念设计思想[J]. 西安建筑科技大学学报(自然科学版). 20112(04)
  [2] 陈志勇,祝恩淳,潘景龙. 复杂应力状态下木材力学性能的数值模拟[J]. 计算力学学报. 2013(04)
  [3] 徐明刚,邱洪兴. 古建筑旧木材材料性能试验研究[J]. 工程抗震与加固改造. 2012(04)
  [4] 周乾,闫维明. 铁件加固技术在古建筑木结构中应用研究[J]. 水利与建筑工程学报. 2012(01)
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