大理麗江穿斗式木構架構造特點及房屋震害簡述★

葉 陽，楊健強，明小娜，王 杰，劉紹昌

(云南省地震局,云南 昆明 650224)

0 引言

云南省共有五種主要的木結構尚在新建與使用,分別是穿斗式木結構、抬梁式木結構、井干式木結構、平頂式木結構和干欄式木結構,其中穿斗式木結構數量最多、分布最廣,在麗江、大理、怒江、迪慶、楚雄、普洱、德宏、昭通、曲靖、臨滄、紅河、保山等地均有使用,根據區域、民俗、傳統的不同,不同區域的穿斗式木結構構造特點又有所不同。不少學者對云南省木結構的抗震能力、震害分析等進行了研究,甘驚天[1]總結了劍川穿斗式木結構構造技術特征,論證了其建筑構造技術的科學性;金昱成[2]提出一種經濟性較好、實施便利性較高的木結構鋼材增強加固阻尼器;聶雅雯[3]推導出云南穿斗式木結構各類節點的M-θ關系理論計算公式,并通過對特征點的定義和計算得出節點的M-θ關系理論簡化四折線模型,從而進一步得出節點恢復力模型;高永林[4]對傳統木結構建筑典型榫卯節點:臺階透榫、梁下有枋臺階透榫、半榫以及燕尾節點模型開展了基于木材摩擦機理和嵌壓特性的試驗、數值模擬以及理論研究;孫俊[5]利用了 Yamada-Sun強度準則,分析了榫根處材料達到強度極限時的榫頭受力情況。王丹[6]研究了摩擦因素對于木結構節點區耗能的影響;孟萍等[7]針對當前普通家庭經濟情況,在不增加或只增加少量投資的情況下,提出加強木結構房屋抗震措施的幾點建議,以提高村鎮木結構房屋的抗震性能;陸偉東等[8]對我國西南、西北地震高烈度地區的木結構形式進行分析,并對木結構建筑的主要震害進行了總結;何玲等[9]針對云南圣母結構提出簡便易行的加固手段提高村鎮木結構房屋的抗震能力。

大理、麗江兩地均屬于地震易發區,并且兩地穿斗式木結構的木構架榫卯組合、結構形式均有差異,在麗江7.0級地震、景谷6.6級地震及漾濞6.4級地震中,可看到不少墻體倒塌,木構架外露的穿斗式木結構,此時木構架就是房屋最后一道防線,研究木構架的構造形式及往年震害對于研究穿斗式木結構抗震性能尤為重要。

1 大理、麗江木構架的構造特點

在大理、麗江地區,一棟獨立的穿斗式木結構建筑一般是呈“四榀三開間”的布局形式,由四榀木構架分割出三個開間(見圖1),這四榀木構架又有不同的組合形式,一般有中間架和山架之分,山架與山墻相連,中間架則為內分割墻的框架。麗江地區多采取山架與中間架不同的建造方式,大理地區部分采取山架與中間架相同的建造方式,另一部分則是山架與中間架不同。由于氣候干燥,為更好的防范火災,居民一般會將與墻體毗鄰的木構件包裹進墻體內(見圖2)。

1.1 大理穿斗式木結構木框架構造特點

目前大理地區常見穿斗式木結構的山架主要有三種形式,第一種是前后京柱不落地的形式;第二種是在京柱不落地的基礎上加站柱的形式;第三種是采取京柱落地的形式(見圖3)。

京柱不落地的山架總共有三根落地柱(左右檐柱、中柱),其中京柱不落地,京柱立于大插之上,前京插與后京插為兩個獨立構件,通過穿插的方式連接前京柱、中柱、后京柱,同理前大插與后大插也為兩根獨立構件,通過從左右兩側穿插的方式連接前檐柱、中柱、后檐柱,并托起前京柱與后京柱,前承重與后承重同理;三根穿坊則是通長一根,京穿坊穿過前京柱、中柱和后京柱,其余兩根穿過前后檐柱和中柱。榫卯節點構造詳見表1。

表1 大理麗江山架節點

加站柱的山架主體和京柱不落地的山架形式相同,區別則是在前京柱的正下方會設置一根站柱,站柱加在承重之上,大插之下,上下端做騎馬榫叉騎在承重上,架于穿坊下(見圖4(a)),部分山架會在承重下的穿坊部也加一根站柱撐于地面。

還有一種京柱落地的山架,這種山架目前在大理地區新建的穿斗式木結構中使用較少,主要是因為木構件原材料獲取難度加大,因此第三種山架形式現存較少。

大理地區部分穿斗式木結構民居會選擇中間架與山架不同的修建方式,中間架修建方式較多,少數會繼續保留中柱,多數為了使自身內部空間靈活使用,會選擇中柱不落地甚至取消中柱的做法,并以駝墩代替京柱,駝墩花樣繁多,可以根據自身需求選擇造型,以中間插暗梢的方式來連接上下構件(見圖4(b),圖5)。

1.2 麗江穿斗式木結構木框架構造特點

麗江地區穿斗式木結構山架共有四根落地柱,三架梁、二架梁和大叉均是獨立整體,在各個柱子上部開槽,自上而下整體往下安裝(見圖6(a),圖7),加以上京柱、前京柱和后京柱固定連接,將所有單獨的構件拉結在一起,榫卯結構詳見表1。

麗江地區穿斗式木結構形式相對統一,均為山架與中間架不同的建造形式,中間架取消中柱(見圖6(b)),以駝墩代替京柱,京柱與前后檐柱之間分別作為房間和走廊使用。

1.3 節點構造

大理、麗江地區目前新建鄉鎮穿斗式木結構民宅多以實用為主,因此簡化了許多紛繁復雜的榫卯結構連接形式,最主要使用的榫卯結構有四種(見表1):1)燕尾榫,又名大透榫,榫頭上寬下窄,具有良好的連接性;2)直榫,通長等寬;3)二蹬榫,與中原地區的銀錠報肩榫類似,不同的是榫肩處會做一個收分;4)箍頭榫,自上而下的卡入柱頭開槽處。另外騎馬榫及暗梢多見于中間架站柱和駝墩的拼裝(見圖8)。

2 常見震害形式

2.1 屋頂的震害

兩地穿斗式木構架的屋頂均采用“兩椽支一”的形式修建,兩根椽子之間鋪設一片瓦片,瓦片為云南本地小青瓦,瓦片與瓦片之間采用石灰連接,石灰里常摻秸稈、稻草等。一般需要3 a～5 a更換一次,否則黏結強度會下降,但是現實中鮮有住戶會主動翻修,因此梭瓦掉瓦為最常見的震害現象。

2.2 墻體的震害

穿斗式木構架房屋的墻體只起圍護作用不起承重作用,兩地的外圍護墻多采用土坯墻、夯土墻和磚墻的形式,由于墻體與木構架在地震中會相互作用[10],且老舊建筑的圍護墻往往采取縱墻與橫墻單獨修建的形式,縱橫墻連接不緊密,導致墻體的受損率也相對較高。地震發生后,在烈度較低的地區,常見的震害形式有:1)墻體開裂(見圖8(a));2)墻角處的受損(見圖8(b));3)墻體與木構架脫開(見圖8(c));4)山尖墻受損(見圖8(d))。在高烈度地區,常見的墻體震害形式主要表現為墻體的坍塌,當地震力方向偏向于山墻時易導致山墻坍塌(見圖8(e)),當地震力方向偏向于后墻時易導致后墻坍塌(見圖8(f)),在極震區,墻體可能會出現全部坍塌,僅木構架挺立的情況(見圖8(g))。

2.3 木構架的震害

木構架作為穿斗式木結構的主要承重構件,也是地震中的最后一道防線。地震過后,烈度較低的地區常見的木構架震害現象為榫卯節點出現拔榫現象,多出現于檁條、縱向穿坊(見圖9(a)),在高烈度地區,木構架可能出現的震害有:1)木構件的損壞(見圖9(b));2)木框架的歪斜(見圖9(c))。若節點和構件損壞嚴重,則會導致木框架局部坍塌甚至毀壞(見圖9(d))。

3 結論

本文通過大量實地調研,通過調研結果,歸納了大理、麗江地區目前常見的穿斗式木結構民居的建筑構造特點,并通過麗江7.0級地震、漾濞6.4級地震、洱源5.5級地震等往年地震資料,總結云南地區穿斗式木結構的震害特點,得出以下結論:

1)相對于現代建筑中“強節點弱構件”的設計方式,木結構則是處于一種“弱節點,強構件”的形式,木框架的震害往往先出現于節點處,木構件的折斷、開裂,也多源自于卯口截面開洞的削弱處。

2)在低烈度區,主要出現的是非承重構件的損壞,例如梭瓦掉瓦現象以及圍護墻的損壞(墻角受損、山墻、后墻的損壞),在檁條與檁條的連接部位和縱向穿坊與柱的連接部位易出現拔榫現象,可能會導致部分木檁條和椽子的掉落。在高烈度區,穿斗式木結構的圍護墻可能會局部坍塌或是全部坍塌,僅剩木框架支撐,此時木結構的承載力取決于榫卯節點的強度,若榫卯節點喪失承載力,則會導致木結構的局部坍塌甚至整體倒塌。

3)為加強穿斗式木結構抗震性能,建議推廣琉璃瓦和樹脂瓦的使用,漾濞6.4級地震和雙柏5.1級地震中,使用琉璃瓦的屋頂近乎完好;加強外圍護墻縱墻與橫墻的連接強度,建議使用帶鋼筋混凝土圈梁及構造柱的磚墻作為外圍護墻,并加強墻體與柱子之間的拉結(如在木構架節點處與墻體進行鐵件加固,在墻體上打孔,穿過鋼絞線等柔性鐵件材料將二者綁扎在一起),防止二者在地震中相互作用加劇損壞。注重對木構件的加固和維護,避免因使用年限的增加使構件強度下降過大。

4)從云南歷年穿斗式木結構震害資料來看,穿斗式木結構較難滿足現行抗震設防要求,對于“小震不壞、中震可修、大震不倒”的理念還難以滿足。由于木結構使用年限較長,在未來一段時間內,將會有大量的穿斗式木結構隨著使用年限的增長,導致其構件強度的降低,應注重對此類建筑的維護和加固[11-13]。