中國古建筑木結構抗震性能研究現狀及發(fā)展趨勢

李凌旭

摘要： 通過對國內木結構抗震性能的研究分析，歸納并總結了木結構房屋特點，榫卯節(jié)點加固抗震，木結構抗震性能研究現狀和抗震措施，指出木結構抗震性能需進一步研究的重點，并結合中國汶川地震震害，總結其經驗，提出相應的建議和意見，以使木結構在中國更好的應用。

Abstract： Based on the analysis of the seismic performance of the Chinese wood structure， the characteristics of the wooden house， reinforcement by mortar joints and research status of seismic performance of wood structure and seismic measures are summarized， and the key content for further study of seismic performance of the wood structure is pointed out. Combined with Wenchuan earthquake damage， the experience is summarized， and the corresponding recommendations and suggestions are put forward to make wood structure better applied in China.

關鍵詞： 抗震性能；木結構；榫卯

Key words： seismic performance；wood structure；tenon

中圖分類號：TU352.1+1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）14-0145-02

0 引言

追溯中華民族生存的源泉，遵循古代沿襲的文化傳統(tǒng)，木結構房屋便是中國古代建筑的遺產。木結構房屋的基本結構大致分為二種——框架結構、重木結構。由于木結構房屋的許多優(yōu)良特性，并以其獨立的結構體系，成為東方建筑文化的巨龍，使在中國停滯了近半個世紀的木結構越來越受到人們的青睞。我國是個地震多發(fā)的國家，各種震害的觸目驚心讓我們深思。本文主要對木結構古建筑的抗震性能分析和研究的發(fā)展進行討論，并對木結構將來在中國的發(fā)展前景進行展望。

中國傳統(tǒng)木結構的節(jié)點通常采用具有半剛性并可以消解外力的榫卯進行連接，使其有一定的抗拉壓、抗彎以及抗扭能力[1]。在地震發(fā)生之初，地震的顛簸使榫、卯之間相互擠壓，來回錯動，使剛節(jié)轉化成鉸接點，產生較大的塑性變形，以柔克剛，從而，更大地減輕了地震對結構的損害。

同時，斗拱結構的巨大作用在中國古建筑減震工程中也是舉足輕重的，斗拱比榫卯連接具有更強的減震作用。斗拱在柱子和上部結構之間，起著承接的作用，地震的破壞力通過斗拱，穿枋等多個接點進行消解[2]。斗拱的柔性隨著地震的巨大推動力發(fā)揮著獨到的作用，并且對結構抗震非常有利。

1 木結構房屋的特點

古建筑中木結構的承重構件是木構架，圍墻等附屬結構在木結構建筑中只起到圍護和隔斷作用。由于木結構的所有構件都由榫卯進行連接，榫卯連接的柔性和變形是結構耗能減震的主要原因，所以抗震性能特別好。

木結構房屋具有如下幾個特點：

①木結構具有抗震優(yōu)勢。

1）木材的彈性模量低，材質輕，韌性大，所以有很強的彈性恢復能力，對于突然荷載和周期性荷載的來襲有很強的抵抗能力。

2）木框架結構有多根桿件和榫卯節(jié)點：通過各桿件和節(jié)點吸收地震能量，并有多種路徑可以釋放地震能。

②木結構房屋既節(jié)能又保溫：木材的保溫效果比混凝土和鋼材都好很多，木材的孔隙就是最好的隔熱體，所以具有很好的保溫性能。建造木結構房屋就比用混凝土和鋼材節(jié)省材料和空間，要具有同樣的保溫效果，木材的厚度需要混凝土的1/15，而僅需要鋼材的1/400[3]。

③恢復性好、木材資源可回收重復利用，取材方便并容易適應各地的氣候條件。

④施工工期短且施工技術簡便，設計靈活，維修方便。

⑤建造成本低，耐久性好。

2 木結構抗震性能研究

在地震的震動過程中榫卯節(jié)點結構從剛性轉化為柔性，從而使剛節(jié)點變?yōu)殂q接點，破壞力即從地基開始向上傳遞，通過木框架結構的很多構件和節(jié)點等多個輔助荷載通道來緩沖地震能量，當破壞力傳到屋頂時，地震能基本已經被下部構件吸收掉，所以產生很小的破壞。

湖南大學的黃曙，尚守平[1]通過對湖南西部農村地區(qū)典型木結構房屋模型的振動臺試驗，得出了如果結構自振頻率較低，自振周期較長，說明該試驗模型由于木材的延性、榫卯等節(jié)點的作用使結構整體剛度較小，柔性較大，因此可減小地震作用和加速度。

谷軍明，繆升等[4]針對云南穿斗結構房屋的特點和穿斗式木構架進行討論，最后得出穿斗木屋架和穿斗木結構圍護墻體的抗震措施。

高大峰、趙鴻鐵等[5]對木結構古建筑中斗拱與榫卯節(jié)點的抗震性能進行試驗研究。斗拱結構模型的試驗結果顯示，在地震反復作用下，榫卯節(jié)點發(fā)生滑移變形和彈塑性變形，榫、卯連接由于徐變的松動，使剛度退化而減輕了結構承受的地震作用，而斗拱本來就是起到減震耗能的作用其原因是當地震來襲并連續(xù)不斷的振動下，是鋪作（即斗拱）結構層發(fā)生彈性變形和摩擦滑移。

何玲等[6]對云南省近幾十年歷次大地震中村鎮(zhèn)木結構房屋的震害進行總結并提出了對于構件強度不足的，穿枋應貫通木構架的每根柱子并且柱子不宜有接長（如圖1）。節(jié)點連接弱，需要加強榫的連接，并且檁條的平榫改為燕尾榫相連或交錯搭接（如圖2）。對于結構不穩(wěn)定的體系只需增加斜撐，設置穿枋增加橫向穩(wěn)定就可以解決等相應的抗震技術措施。

以上為前人提出關于木結構抗震特點及相關解決措施，對于這些抗震性能的研究，他們給出了相應的解決方法，同時也有很多不足，筆者認為木結構體系在地震的反復作用下，榫卯節(jié)點的晃動使卯孔增大，從而減小了榫卯之間的摩擦力，榫卯之間失去了相互的擠壓，使榫頭拔出，喪失了結構的穩(wěn)定致使結構倒塌。所以在加強榫卯連接的同時，要既保持它的剛性，又要保持它的柔性，意大利研究人員[6]通過試驗得知在其他條件相同的情況下，大柔度的結構比剛性結構更有利于抵抗地震，所以在設計木結構建筑時應盡量保證剛柔并進，使榫卯節(jié)點的變剛性連接達到最佳效果。

3 木結構房屋抗震存在的問題及未來發(fā)展趨勢

由于木材易糟朽，而古建筑中木結構建造已年代久遠，所以這些已建造完的木結構房屋的抗震性能受很多因素影響。對于古建筑木結構房屋現大多是歷史遺產，需要重點保護并要延長其使用年限以做歷史的見證。為此，我們的研究人員做了大量的分析和調查，最終得出以下結論：

3.1 木結構房屋存在問題

①據統(tǒng)計，在地震中發(fā)生破壞的木結構，木柱的高度都高于3米，而規(guī)范中早有規(guī)定，木柱木梁中的房屋高度不宜超過3米。

②由于地震的上下左右顛簸，在長期荷載作用下，大部分木結構古建筑的維護墻體產生徐變引起開裂。

③由于年久失修和相應的錨固措施沒有做好，部分建筑局部榫卯拔出，所以柱腳應采用鐵件或其他措施與基礎錨固。

④瓦面破壞和建筑物局部裝飾物有破壞。

3.2 木結構發(fā)展趨勢

自然健康和舒適放松是現代人們一直追求的，而木結構正是人們所最需要的生存環(huán)境，并且木結構房屋是抗震性能較好的結構形式之一，對于未來木結構的發(fā)展將繼續(xù)圍繞小城鎮(zhèn)建設，但由于我國森林資源匱乏，相關研究人員不足等原因，造成我國木結構發(fā)展緩慢。伴著木結構建筑在我國的再度興起和曾經的輝煌，研究人員的不斷深入，抗震措施等一步步跟進，木結構建筑將會成為中國建筑史上的又一片綠洲。經過多年的修復，我國森林面積已居世界第五位，擴大森林面積不僅是為了改善生態(tài)環(huán)境，同時也要培育優(yōu)良樹種，提高木材質量，并合理采伐，使木材用到實處，達到可持續(xù)發(fā)展的效益。寶貴的森林資源應良好利用，使之成為取之不盡，用之不竭的資源，這樣木結構建筑一定會得到廣泛的應用。

筆者希望可以借鑒現存的木結構資料，回顧國內外木結構古建筑的優(yōu)點，并深入研究將木結構建筑發(fā)展開來，為中國建筑事業(yè)增添一抹光彩。

4 結語

通過對木結構房屋的調查及研究，發(fā)現木結構建筑還有很大發(fā)展空間，榫卯是傳統(tǒng)木結構理論研究的關鍵，其節(jié)點性能和節(jié)點假設對傳統(tǒng)木結構穩(wěn)定研究具有重要意義。同時，木結構建筑在大地震中吸收的地震力小，可以有效的減輕地震帶來的災害，由于木材有很強的彈性恢復力，可以抵抗各種沖擊荷載和疲勞破壞。相信木結構建筑將來會在中國建筑領域占主導地位，成為可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑。

參考文獻：

[1]黃曙，尚守平.農村典型木結構房屋的抗震性能試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2009.

[2]趙均海.中國古代木結構的彈塑性有限元分析[J].西安建筑科技大學學報，1999.

[3]謝啟芳，趙鴻鐵，薛建陽，門進杰，王威.汶川地震中木結構建筑震害分析與思考[J].西安建筑科技大學學報，2008.

[4]谷軍明，繆升，楊海名.云南地區(qū)穿斗木結構抗震研究[J]. 工程抗震與加固改造，2005增刊：205-210.

[5]高大峰，趙鴻鐵，薛建陽.木結構古建筑中斗拱與榫卯節(jié)點的抗震性能[J].自然災害學報.西安，2008.

[6]何玲.潘文.楊正海.陶忠，等.村鎮(zhèn)房屋木結構震害及抗震技術措施[J].工程抗震與加固改造，2006.

[7]姚侃，趙鴻鐵，薛建陽，等.木結構古建筑的抗震性能分析[J].建筑科學，2007.

[8]Seismic Behavhour Of Historic Timber-Frame Bulding In The Italian Dolomites Ario CECCOTTI， Paolo FACCIO， Monica NART， Carmen SANDHAAS and Paolo SIMEONE （ICOMOS International Wood Committee 15th International Symposium Istanbul and Rize （Turkey） September 18-23， 2006）.

[9]金耀，白良，楊曉東，等.村鎮(zhèn)土木結構抗震性能評估與加固[J].云南建筑，2007.