四川木結(jié)構(gòu)古建筑斗栱的力學(xué)性能分析

李承偉 宋永勝 敖玉連 吳 偉 芮 倬

（中國(guó)建筑第七工程局有限公司， 河南 鄭州 450000）

四川省的木結(jié)構(gòu)古建筑斗栱有著較為明顯的地域特點(diǎn)，大都采取“前繁后簡(jiǎn)”或者前面較為濃密后面比較稀疏的方式來(lái)進(jìn)行排列。我國(guó)是一個(gè)歷史悠久的大國(guó)，由于人類的發(fā)展進(jìn)步離不開對(duì)建筑的有效建設(shè)，因此我國(guó)的建筑行業(yè)發(fā)展歷史也較為悠久。斗栱作為中國(guó)的木構(gòu)建筑中最有特色也是文化氣息最為濃厚的部分，同時(shí)也是中國(guó)古建筑行業(yè)發(fā)展以來(lái)最為繁瑣復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu)。隨著時(shí)代的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，以及風(fēng)俗文化的改變，相應(yīng)的斗栱的結(jié)構(gòu)以及布置方式都有著較大的改變。[1]

1 斗栱的起源

目前對(duì)于斗栱的起源沒有確定的說法，仍然處于眾說紛紜的狀態(tài)。按照構(gòu)造方法，部分人認(rèn)為斗栱的出現(xiàn)是因?yàn)槭艿綐滂拘螤顔l(fā)得來(lái)的；另一部分則認(rèn)為是由倒置的屋架進(jìn)行變形形成的小型復(fù)合構(gòu)架。

2 斗栱的演變

斗栱的歷史非常悠久，最早在商周時(shí)期就已經(jīng)出現(xiàn)，并且一直到清代都有著明顯的使用。但是由于斗栱的各個(gè)部分在宋代之前并沒有專門的注解，因此無(wú)法有效得知道斗栱的各個(gè)部分在宋代之前的名稱。后期則出現(xiàn)了宋式名稱以及清式名稱，這兩種名稱的出現(xiàn)有效地使不同時(shí)期的斗栱得到了明顯的區(qū)分。各個(gè)時(shí)期的斗栱都有著明顯的不同。漢代時(shí)期還沒有對(duì)斗栱進(jìn)行有效的形狀規(guī)定，因此在這一階段的斗栱有著各種各樣的結(jié)構(gòu)；在南北朝時(shí)期則對(duì)斗栱有了進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)規(guī)定，采用了人字模式進(jìn)行斗栱的構(gòu)建，又稱為人字栱 ；在宋朝一直到元朝時(shí)期對(duì)于建筑行業(yè)進(jìn)行了有效的規(guī)則制定，在建筑規(guī)則的規(guī)范下，使斗栱的形狀得到了進(jìn)一步的發(fā)展與調(diào)整，同時(shí)構(gòu)造也更加復(fù)雜，并且減少了用材；到了明代時(shí)期，對(duì)于斗栱的建設(shè)有效地繼承了元代的斗栱的構(gòu)造，還進(jìn)行了進(jìn)一步的改造，補(bǔ)間鋪?zhàn)鞯臄?shù)量增加至六到八朵；在清代時(shí)期的斗栱建造則是對(duì)于斗栱的名稱、外觀以及規(guī)格大小都有了新的規(guī)定。而在遼、宋、金時(shí)期中常見的偷心造斗栱的做法，在清朝幾乎失傳。[2]

3 四川斗栱

由于我國(guó)的國(guó)土面積較為遼闊，而四川在當(dāng)時(shí)處于距離京都較遠(yuǎn)的位置，因此四川的建筑物樣式的改變相對(duì)比較落后，使其斗栱建設(shè)與其他地區(qū)隨著時(shí)間的變化較為明顯的構(gòu)造改變不同，這一地區(qū)的斗栱建設(shè)有著極其濃厚的地方特色。往往在一座木制的古建筑上可以發(fā)現(xiàn)各種不同樣式的做法。四川斗栱大都采用前密后疏的排布方式，在構(gòu)造方式上則是采取前繁后簡(jiǎn)的方式進(jìn)行，這種斗栱的建造方式雖然較為繁瑣，但卻充斥著濃厚的四川文化氣息。[3]如下圖1。

圖1 栱四川斗

4 四川木結(jié)構(gòu)古建筑斗栱的力學(xué)性能分析

在我國(guó)的古建筑的建設(shè)過程中，大都采用了木材進(jìn)行有效的構(gòu)建。木材具有方便取材并且加工方便的特點(diǎn)，因此這種建筑材料在建筑行業(yè)的使用一直沿用到今天。木材是一種有機(jī)材料，而其中多蘊(yùn)含的木纖維更是使木材性質(zhì)各異的原因。通過對(duì)于各個(gè)省市地區(qū)的木質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑的有效研究發(fā)現(xiàn)，古建筑的建筑材料使用大都遵循就近原則，因此四川的古建筑結(jié)構(gòu)大都采取使用楠木以及杉木等木材。通過對(duì)各個(gè)木材的數(shù)據(jù)分析以及彈性模量的計(jì)算得出了以下數(shù)據(jù)（如表1）。

表1

4.1 ANSYS分析流程

通過對(duì)三個(gè)斗栱模型的有效建立，并且將三個(gè)斗栱模型分別建立為木塔柱頭鋪?zhàn)鳌⒂?jì)心造斗栱以及偷心造斗栱，但是由于斗栱的構(gòu)成部件較多，構(gòu)造較為繁雜等問題，因此必須要在對(duì)斗栱模型進(jìn)行有效地掌握后，才可以使用SolodWorks 進(jìn) 行斗栱的 三維模型的有效建立。在進(jìn)行三維模型的斗栱建立前，應(yīng)該先進(jìn)行斗栱的各個(gè)部分零件的三維模型的有效建立，之后再進(jìn)行有效的三維斗栱模型的裝配，有效地構(gòu)建出三維斗栱模型并且進(jìn)行科學(xué)的斗栱力學(xué)性能的分析。

4.2 材料屬性

由于木紋的方向以及強(qiáng)度的不同，因此在實(shí)際的應(yīng)用中對(duì)于斗栱各個(gè)構(gòu)件的承載力的影響也大不相同。在進(jìn)行ANSYS的模擬實(shí)驗(yàn)中，為了有效地對(duì)模擬的木材進(jìn)行詳細(xì)的數(shù)據(jù)記錄，就需要在模擬過程中將木材的屬性設(shè)為不同的模式，從而有效地促進(jìn)模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4.3 劃分網(wǎng)格

可以通過使用網(wǎng)格劃分的方式有效地進(jìn)行數(shù)值的求解計(jì)算。網(wǎng)格劃分得越密集其實(shí)際模型的數(shù)據(jù)也會(huì)越接近于古建筑的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。但是同時(shí)對(duì)于計(jì)算精確度的要求也就越高，使求解規(guī)模也會(huì)大幅度的增加。因此，為了有效地提高計(jì)算效率，就必須要使計(jì)算的精確度、求解規(guī)模與網(wǎng)格劃分的密度進(jìn)行有效的綜合，使其在可以承受的計(jì)算范圍內(nèi)最大限度的使實(shí)際模型的數(shù)據(jù)貼合古建筑結(jié)構(gòu)模型。[4]

4.4 施加約束以及荷載

在進(jìn)行有限元模型的條件設(shè)置時(shí)，對(duì)于模型的邊界的條件進(jìn)行有效控制，可以使實(shí)驗(yàn)的條件達(dá)到統(tǒng)一，從而有效的模擬斗栱的力學(xué)性能在各種模式下所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，之后進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算整理，進(jìn)一步得到有效的斗栱的力學(xué)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)間的比對(duì)，得到完整的數(shù)據(jù)結(jié)果。

4.5 有限元的分析結(jié)果

隨著三種斗栱三維模型的有效建立，使斗栱的各個(gè)部件在不同的受力情況下進(jìn)行有效的模擬，從而進(jìn)一步的得到斗栱的力學(xué)數(shù)據(jù)。并且通過有效的斗栱力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)對(duì)比以及科學(xué)分析得到有效的結(jié)果。

4.6 分析對(duì)比

通過有效的數(shù)據(jù)比對(duì)分析可以得出斗栱在豎向荷載的力學(xué)性能是可行的，并且通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理分析，還可以有效的了解斗栱在豎向荷載作用下的力學(xué)的相關(guān)特征。通過模擬實(shí)驗(yàn)可知斗栱的水平力會(huì)隨著位移的增速而增大，隨著位移的降速而減小。由此可知用ANSYS可 以有效地對(duì)斗栱的力學(xué)性能進(jìn)行詳細(xì)地分析。計(jì)心造斗栱在進(jìn)行模擬過程中可以發(fā)現(xiàn)，其在豎向荷載的作用下，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)階段的力學(xué)性能。第一階段會(huì)隨著荷載的增大導(dǎo)致位移的快速增加；第二階段則恰恰相反，會(huì)隨著荷載的增加導(dǎo)致位移的減慢。而產(chǎn)生這兩個(gè)階段的主要原因則是因?yàn)橛?jì)心造斗栱出現(xiàn)了彈塑性問題，因此導(dǎo)致兩個(gè)階段的數(shù)據(jù)不同。通過對(duì)計(jì)心造斗栱進(jìn)行多次反復(fù)的荷載步實(shí)驗(yàn)，并且對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的記載，使數(shù)據(jù)在后續(xù)可以進(jìn)行進(jìn)一步的整理。在對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步整理，在荷載步的加載初期，斗栱的各個(gè)部件對(duì)于荷載步的承受能力較強(qiáng)，彈性較好，因此水平位移增速較大但是對(duì)著水平位移增速達(dá)到一個(gè)頂點(diǎn)時(shí)，斗栱的各 個(gè)部件就會(huì)進(jìn)入塑形階段，從而減少斗栱的剛度。[5]

4.7 水平低周反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能

在進(jìn)行斗栱的有限元模型構(gòu)建后，將斗栱進(jìn)行有效的倒置，并且施加足夠的豎向荷載，使斗栱在整個(gè)過程中的位置不變，并且通過多次反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以無(wú)限地接近實(shí)驗(yàn)條件，在斗栱的加載初期可知，斗栱的各個(gè)結(jié)構(gòu)部件在這一階段處于彈性階段。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，由于偷心造斗栱的構(gòu)建方式的特殊性，使其可以更有效地減少因?yàn)榈卣馂?zāi)害所造成的建筑破壞問題。

5 結(jié)論分析

通過對(duì)于模型的建立以及有效的實(shí)驗(yàn)可以得知，三種斗栱在不同的力學(xué)荷載下會(huì)得到不同的力學(xué)性能。[3]數(shù)據(jù)具體結(jié)論如下：第一，在進(jìn)行豎向荷載試驗(yàn)時(shí)，通過對(duì)三種斗栱進(jìn)行有效的豎向荷載作用，計(jì)心造斗栱與偷心造斗拱的彈性受力能力相對(duì)來(lái)說比較接近，并且對(duì)于彈性的承受能力也大多都相同。但是同等條件下的模擬測(cè)試，計(jì)心造斗栱對(duì)于豎向荷載的承受力要遠(yuǎn)高于偷心造斗栱的承受能力，但是其自身的穩(wěn)定性要遠(yuǎn)低于偷心造斗拱的穩(wěn)定性。因此在豎向荷載的承受能力方面的模擬實(shí)驗(yàn)可以有效的了解偷心造斗拱與計(jì)心造斗拱之間的差異；第二在進(jìn)行水平低周反復(fù)荷載的模擬實(shí)驗(yàn)室，可以明顯的發(fā)現(xiàn)通過有效的相同數(shù)據(jù)的水平低周反復(fù)荷載的作用下，計(jì)心造斗栱的抗側(cè)剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于偷心造斗栱，并且兩種斗栱弧形曲線相似度極高。同時(shí)這種模式的斗栱也有效的應(yīng)用在了四川的饒益寺大佛殿之中。因此四川的饒益寺大佛店的抗震能力極強(qiáng)，并且其自身的斗栱布置目前由三種方式構(gòu)成。通過有效的研究可知ANSYS 成語(yǔ)可以有效地對(duì)斗栱的構(gòu)建以及斗栱的力學(xué)性能進(jìn)行有效的模擬實(shí)驗(yàn)，并且可以使斗栱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加接近于中國(guó)古代的古建筑所用的斗栱的數(shù)據(jù)，從而可以有效地提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及精確性，還可以有效地使人們對(duì)于斗栱的認(rèn)識(shí)進(jìn)一步加深，使人們對(duì)于古代的建筑構(gòu)造進(jìn)行進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)與了 解。通過對(duì)斗栱的實(shí)驗(yàn)分析，并且通過對(duì)其抗震原理的科學(xué)分析與探索，還可以進(jìn)一步提高我國(guó)建筑行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，使我國(guó)建筑的防災(zāi)抗震能力得到進(jìn)一步的加強(qiáng)。同時(shí)由數(shù)據(jù)可知，我國(guó)的斗栱建筑結(jié)構(gòu)不僅可以有效地減少因地震帶來(lái)的房屋塌陷的問題，還可以有效地提高房屋的抗震能力。通過有效的實(shí)驗(yàn)以及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步整理分析，使我們對(duì)于斗栱的力學(xué)性能的研究進(jìn)一步地加深，通過對(duì)于斗栱的力學(xué)性能認(rèn)識(shí)進(jìn)行進(jìn)一步的總結(jié)，可以使人們可以有效的認(rèn)識(shí)并且了解斗栱，并且知道斗栱在我國(guó)古建筑時(shí)期的重要作用，并且更加深刻地認(rèn)識(shí)到斗栱的特殊地位。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，斗栱在我國(guó)古代建筑中的出現(xiàn)，不僅是人們智慧的產(chǎn)物，還是人們創(chuàng)造力的體現(xiàn)。通過對(duì)斗栱全面的力學(xué)性能的研究，從而有效的了解其本身的效能，并從中進(jìn)行學(xué)習(xí)，不僅可以使人們對(duì)于古建筑中的斗栱有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)與了解，還可以有效的通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到斗栱的相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)，從而使我國(guó)的古代建筑構(gòu)造進(jìn)一步地被人們認(rèn)識(shí)。通過對(duì)于斗栱的有效的力學(xué)研究，還可以將斗拱的建筑構(gòu)造充分地融入到當(dāng)今社會(huì)的建筑設(shè)計(jì)中，從而有效地提高我國(guó)建筑對(duì)于地震災(zāi)害的抵抗能力，提高建筑的穩(wěn)定性，使地震來(lái)臨時(shí)，建筑可以減少坍塌的概率，從而進(jìn)一步地保障我國(guó)人民的生命以及財(cái)產(chǎn)的安全，才可以有效地維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定，提高社會(huì)的發(fā)展進(jìn)程。同時(shí)通過對(duì)四川木結(jié)構(gòu)古建筑斗栱的力學(xué)性能進(jìn)行科學(xué)的分析，可以有效促進(jìn)我國(guó)建筑行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。