古建筑檻窗木構架抗震性能及損傷等級評價

郇君虹 郭小東 馬東輝 管忠正

摘 要：為了研究木結構古建筑帶內部填充木框架的抗震性能和價值損傷規律，選取清式木結構古建筑中廣泛應用的檻窗木構架為研究對象，制作了縮尺比例為1∶2的試驗模型進行低周往復試驗，分析了檻窗木構架的荷載位移滯回曲線、骨架曲線、剛度退化規律和耗能能力。試驗結果表明：檻窗木構架滯回曲線有明顯的“捏縮效應”，隨著加載位移的增大和加載循環次數的增多，這種效應就越明顯;試驗過程中墻體首先發生破壞，而后隨著加載的進行，墻體逐漸加劇破壞，木構件出現拔榫、欞條劈裂等破壞。墻體對木構架的剛度影響較大。結合檻窗木構架可能存在的價值點，提出基于價值的損傷評價指標，為古建筑的修復、加固和價值損傷評估提供參考。

關鍵詞：古建筑;檻窗木構架;低周往復試驗;損傷等級評價

中圖分類號：TU366.2 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2022）02-0129-09

基金項目：北京市自然科學基金市教委聯合資助項目（KZ202010005012）;國家重點研發計劃（2019YFC1520803）

作者簡介：郇君虹（1989- ），女，博士，主要從事木結構抗震性能研究，E-mail：junhonghuan@stdu.edu.cn。

郭小東（通信作者），男，教授，博士生導師，E-mail：gxd@bjut.edu.cn。

Abstract： In order to study the seismic performance and value damage pattern of timber frame， which are used in ancient timber architecture and infilled with windows and wall， Kanchuang frame is selected as the study object. Kangchuang frames are widely used in Qing official architecture. The 1∶2 reduced-scale models were made for low cyclic loading test. The load-displacement hysteretic curves， skeleton curves， stiffness degradation law and energy dissipation capacity of models were analyzed. The research results show that the load-displacement hysteretic curves have obvious pinching effect， and this effect becomes more obvious with increase of loading displacement and loading cycle number. The walls of Kanchuang frame cracked at first， then the cracks increase with the load increase. The wood structure appears to tenon pulling， lattice splintering and other damage. Walls contribute great stiffness to the structure. Combined with the possible value points of sill window frame， a value-based damage evaluation standard for Kanchuang frame is proposed， which provides good reference for the repair， reinforcement， and value loss evaluation of ancient timber architecture.

Keywords：ancient timber architecture; Kanchuang frame; low cyclic loading test; damage grade evaluation

木結構古建筑是中國的文化瑰寶，是歷史文明的傳承，具有不可再生性和不可替代性。然而，中國是一個地震多發的國家，許多古建筑在歷次地震中均遭到了不同程度的損毀[1]。因此，研究木結構古建筑的抗震性能，并對其開展科學的修復及保護工作刻不容緩。學者們采用模型試驗、有限元分析、理論推導等手段對木結構古建筑展開了一系列研究，涵蓋了木結構古建筑的榫卯節點、斗栱節點、平面榫卯節點框架、空間木構架等方面。

在榫卯節點方面，吳洋等[2]對不同拔榫程度的燕尾榫節點框架進行試驗研究，提出了靜力作用下梁跨中荷載與撓度的變剛度線彈性力學模型。郭婷等[3]對西南傳統民居穿斗式木結構穿銷中節點進行單調加載試驗，研究了兩類節點的力學性能。郇君虹等[4]研究了扁鋼加固半榫、透榫及燕尾榫的抗震性能，提出了一種新型的榫卯節點加固方式，以提高結構的抗震性能。在斗栱節點方面，Tsuwa等[5]制作了3種不同尺寸的斗栱模型，對其進行動力和靜力加載試驗，分析了斗栱的構件對整體結構力學性能的影響。Yeo等[6-9]對兩種不同形式的斗栱進行振動臺試驗，研究了傳統結構斗栱在不同豎向荷載作用下和集集地震波激勵下的破壞模式。在平面榫卯節點框架方面，Atsuo等[10]通過擬靜力試驗和有限元模擬研究了日本傳統結構帶斗栱、梁和木質填充墻的平面框架的力學性能。DAyala等[11]建立了臺灣地區傳統寺廟3種不同框架的有限元模型，計算結果中，結構產生的應力及位移和相關震害資料顯示的一致。

近年來，盡管針對木結構古建筑的抗震研究取得了一定的進展和成果，但針對帶門、窗、墻體的木結構古建筑木構架的抗震性能方面的研究還存在不足。研究表明[12-13]，木構架內部的墻體門窗等會對木結構古建筑抗震性能產生較大的影響，且木結構古建筑的門、窗、墻體壁畫等是古建筑文化價值的重要組成部分，研究其抗震性能和價值損傷十分必要和迫切。筆者以木結構古建筑中應用廣泛的檻窗木構架為研究對象，以清《工程做法則例》[14]為依據，建立了縮尺比例為1∶2的模型，采用低周往復試驗對其進行抗震性能研究。

1 試驗概況

1.1 試驗材料模型制作

以中國現存的清式古建筑中帶雀替、隔扇、檻窗的木構架為原型，按照清《工程做法則例》[14]和《中國古建筑知識手冊》[15]中的做法，制作了兩榀縮尺比例為1∶2的木構架模型，兩榀木構架的設計參數相同，編號分別為KC1和KC2。選用的木材為樟子松，未考慮材料老化的影響。試驗模型和構件的尺寸如圖1～圖3及表1所示。檻窗木構架的構件之間連接根據傳統清式建筑的做法，采用榫卯連接，具體構件和榫卯節點的尺寸如圖4和圖5所示。由于構件和墻體均為人工砌筑，并且需要提前預留安裝空隙，因此存在一定的縫隙差異。經過測量，兩榀木構架的縫隙差異在3～5 mm左右。兩榀檻窗木構架的磚墻均由同一工人砌筑。

1.2 材性參數

根據相關試驗標準[16-24]制作試塊，對試驗所用的木材、砌筑砂漿、磚砌體進行材性試驗，獲得相應參數，如表2、表3所示。

1.3 加載方案

在柱頂端放置柱帽，柱帽上放置分載梁。通過分載梁兩端吊配重的方法施加經過屋面荷載折算的柱端荷載，共12 kN。加載裝置如圖6所示。為了防止試驗過程中構件產生平面外傾斜，在試驗構件后方搭建腳手架進行支撐。

通常木結構在承受較小荷載的時候就發生較大變形。因此，參考《建筑抗震試驗規程》（JGJ/T 101—2015）中的建議，水平方向采用位移控制加載。加載初始值為±3 mm;加載位移在5～70 mm時，每級加載位移增加5 mm;加載位移在70～110 mm時，每級加載位移增加10 mm;加載位移大于110 mm時，每級加載位移增加20 mm，每級位移循環加載3次，直至加載到千斤頂最大量程150 mm為止。加載位移曲線如圖7所示。

在千斤頂頂端設置力傳感器和位移計，用來測量加載過程中木構架的受力和千斤頂推出位移。采用位移計2和位移計3測量枋端的脫榫量。試驗現場布置圖如圖8所示。

2 試驗現象分析

KC1和KC2的試驗現象基本相同。試驗加載初期，控制位移較小，木構架沒有明顯變化。當加載位移增加到10 mm時，木構架發出木材擠壓的“吱吱”聲，墻體邊緣部位沿灰縫產生裂縫。隨著加載位移的增大，裂縫逐漸發展，加載位移為35 mm時，在邊緣部位形成貫通裂縫，而后由邊緣部位向中部發展。加載位移為50 mm時，在墻體中部形成人字形貫通裂縫，窗扇的榫卯節點產生輕微拔榫。隨著加載位移的增加，墻體裂縫不斷發展，窗扇的榫卯節點拔榫逐漸增加，加載結束時;榫卯節點的最大拔榫量達到3 mm，約為榫頭長度的1/10，仔邊、欞條劈裂。加載結束后，結構的破壞形式如圖9所示。

3 試驗結果分析

3.1 荷載位移滯回曲線

圖10為KC1和KC2的荷載位移滯回曲線，可以看出：

1）兩榀檻窗木構架的荷載位移曲線形狀及變化趨勢基本一致，檻窗木構架的滯回曲線均呈“Z”字形。

2）滯回曲線的中部扁平，有明顯的“捏縮效應”。也就是說，在一定的加載位移范圍內，加載位移不斷增加，而結構的受力增加速率相對緩慢，造成滯回曲線中部呈捏攏狀。這是由于檻窗木框架構件之間存在縫隙，加載初期構件之間產生滑移造成的，隨著加載位移的增大，構件之間相互擠緊，結構受力不斷增加。

3）隨著加載位移和荷載循環的次數增加，這種“捏縮效應”逐漸顯著。這是由于反復加載后，一方面墻體破壞，降低結構剛度;另一方面，構件產生了塑性變形，加大了構件之間的空隙，致使加載初期構件之間的滑移加劇。

3.2 荷載位移骨架曲線

荷載位移骨架曲線是試驗檻窗木構架的荷載位移滯回曲線峰值點的連線。試驗中每一級加載位移循環3次。KC1和KC2的荷載位移骨架曲線如圖11所示，可以看出：

1）每級加載位移下，第2、3次循環的荷載小于第1次循環的荷載，說明累積循環加載會造成結構力學性能退化。力學性能退化的原因包括墻體裂縫的開展、木構件榫卯節點的松動、木材的塑性變形、墻體倒塌等。

2）當加載位移為35 mm以下時，兩榀木構架的曲線基本呈直線，此時檻窗木構架的木構件部分還未出現明顯破壞，而墻體也未形成貫通裂縫，可以認為該階段為輕微損傷的彈性階段。

3）當加載位移在30～65 mm時，骨架曲線的斜率變小。這是因為隨著加載的進行，墻體形成多條貫通裂縫，力學性能退化，可以認為該階段為墻體破壞的塑性階段。

4）當加載位移大于65 mm時，兩榀檻窗木構架的骨架曲線再次呈直線狀態，剛度有所增加。這是因為隨著加載次數的增多和增大，墻體損傷累積，裂縫充分發展，磚塊掉落，墻體酥堿，墻體和木柱之間空隙增大，缺乏有效連接，基本不再受力。此時的荷載主要由木構件承擔，該階段木構架進入了新的塑性階段。

3.3 耗能分析

通常情況下，采用能量耗散系數he來衡量結構的耗能能力。一般來說，能量耗散系數越大，結構的耗能能力就越強。KC1和KC2的能量耗散系數如圖12所示。

從圖12中可以看出，隨著加載位移的增大和循環次數的增加，檻窗木構架的耗能能力逐漸降低。在加載位移為30 mm前，墻體裂縫從邊緣部位開始發展，加載位移為35 mm時，出現第一條豎向貫通裂縫，在該區間段內試件的耗能能力下降較快，此后下降速率變小。說明在檻窗木構架墻體豎向貫通裂縫出現以前，裂縫的發展對結構的耗能能力產生影響較大。

3.4 剛度退化分析

隨著位移荷載的增大和加載循環次數的增加，結構的剛度會出現降低的現象，稱為剛度退化。一般采用第1次加載循環中的割線剛度Ki來衡量。計算所得的KC1和KC2剛度退化曲線如圖13所示。

從圖13中可以看出，兩榀檻窗木構架的剛度退化具有一致性的規律，即隨著加載位移的增大，剛度逐漸減小，最后趨于直線狀態。在加載位移為35 mm前，剛度退化較快，之后剛度退化趨于平緩。說明墻體對結構的剛度影響較大。

4 檻窗木構架損傷等級分析

4.1 墻體裂縫長度發展規律分析

試驗和震害資料[1]表明，對于檻窗木構架來說，墻體部分首先且更容易遭到損害，也就意味著在墻體上附帶的文物價值部分更容易損傷。為了充分反映墻體上可能會附帶的文物的損傷情況，綜合試驗現象和歷史震害資料，選取墻體裂縫作為檻窗木構架的價值損傷指標，對檻窗木構架的墻體裂縫長度進行了分析，圖14為檻窗木構架墻體裂縫長度隨加載位移的變化情況。為了便于統計規律，將裂縫長度進行歸一化，記作

式中：lf為檻墻的總裂縫長度;lz為檻墻的周長。對加載位移進行歸一化。

歸一化中采用65 mm位移為檻窗木構架墻體裂縫充分發展，邊緣磚塊第1次掉落時的加載位移。對根據試驗所得的裂縫長度隨加載位移變化規律曲線進行擬合，擬合公式如式（3）所示，擬合曲線如圖15所示。

4.2 檻窗木構架整體損傷評價

目前，中國還沒有專門針對木結構古建筑、檻窗木構架等文化遺產建筑組成部分而設定的損傷評價指標體系和評價標準。建立評價指標時先從墻體可能會附帶的文物價值出發，一般來說，墻體主要的附屬文物表現形式為雕刻和壁畫。基于此，結合檻窗的試驗現象及結構的破壞過程，提出檻窗木構架基于價值的損傷等級評價指標，如表4所示。

5 結論

通過對檻窗木構架進行試驗研究和分析，得到以下結論：

1）加載過程中，檻窗木構架的墻體首先發生破壞，墻體貫通裂縫充分發展后，窗扇開始出現輕微拔榫，隨著加載的進行，拔榫不斷加劇。最終的破壞形式為墻體倒塌，榫卯節點拔榫變形，欞條開裂。

2）檻窗木構架滯回曲線呈Z型，有明顯的“捏縮效應”。隨著加載位移的增大和循環次數的增加，這種效應越明顯。

3）在墻體貫通裂縫出現之前，檻窗木構架的剛度較大，且剛度退化速度較快，后期剛度退化速度較為平穩。構件和榫卯節點之間的緊密程度、墻體的砌筑水平、墻體和木框架之間的間隙都會影響結構的剛度耗能能力。構件之間越緊密，剛度越大，耗能能力越強。

4）采用三段式曲線對檻窗木構架墻體裂縫進行規律分析，在考慮檻窗木構架可能附帶的文物及其價值的基礎上建議了基于價值的損傷等級評價指標，為文物的保護和研究提供參考依據。

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（編輯 胡玲）

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