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古建筑木结构抗震性能研究现状探析

发布时间:2020-04-18  点击量:
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摘要:通过对国内木结构抗震性能的研究分析,归纳并总结了木结构房屋特点,榫卯节点加固抗震,木结构抗震性能研究现状和抗震措施,指出木结构抗震性能需进一步研究的重点,并结合中国汶川地震震害,总结其经验,提出相应的建议和意见,以使木结构在中国更好的应用。

关键词:抗震性能;木结构;榫卯

0引言

追溯中华民族生存的源泉,遵循古代沿袭的文化传统,木结构房屋便是中国古代建筑的遗产。木结构房屋的基本结构大致分为二种———框架结构、重木结构。由于木结构房屋的许多优良特性,并以其独立的结构体系,成为东方建筑文化的巨龙,使在中国停滞了近半个世纪的木结构越来越受到人们的青睐。我国是个地震多发的国家,各种震害的触目惊心让我们深思。本文主要对木结构古建筑的抗震性能分析和研究的发展进行讨论,并对木结构将来在中国的发展前景进行展望。中国传统木结构的节点通常采用具有半刚性并可以消解外力的榫卯进行连接,使其有一定的抗拉压、抗弯以及抗扭能力[1]。在地震发生之初,地震的颠簸使榫、卯之间相互挤压,来回错动,使刚节转化成铰接点,产生较大的塑性变形,以柔克刚,从而,更大地减轻了地震对结构的损害。同时,斗拱结构的巨大作用在中国古建筑减震工程中也是举足轻重的,斗拱比榫卯连接具有更强的减震作用。斗拱在柱子和上部结构之间,起着承接的作用,地震的破坏力通过斗拱,穿枋等多个接点进行消解[2]。斗拱的柔性随着地震的巨大推动力发挥着独到的作用,并且对结构抗震非常有利。

1木结构房屋的特点

古建筑中木结构的承重构件是木构架,围墙等附属结构在木结构建筑中只起到围护和隔断作用。由于木结构的所有构件都由榫卯进行连接,榫卯连接的柔性和变形是结构耗能减震的主要原因,所以抗震性能特别好。木结构房屋具有如下几个特点:①木结构具有抗震优势。1)木材的弹性模量低,材质轻,韧性大,所以有很强的弹性恢复能力,对于突然荷载和周期性荷载的来袭有很强的抵抗能力。2)木框架结构有多根杆件和榫卯节点:通过各杆件和节点吸收地震能量,并有多种路径可以释放地震能。②木结构房屋既节能又保温:木材的保温效果比混凝土和钢材都好很多,木材的孔隙就是最好的隔热体,所以具有很好的保温性能。建造木结构房屋就比用混凝土和钢材节省材料和空间,要具有同样的保温效果,木材的厚度需要混凝土的1/15,而仅需要钢材的1/400[3]。③恢复性好、木材资源可回收重复利用,取材方便并容易适应各地的气候条件。④施工工期短且施工技术简便,设计灵活,维修方便。⑤建造成本低,耐久性好。

2木结构抗震性能研究

在地震的震动过程中榫卯节点结构从刚性转化为柔性,从而使刚节点变为铰接点,破坏力即从地基开始向上传递,通过木框架结构的很多构件和节点等多个辅助荷载通道来缓冲地震能量,当破坏力传到屋顶时,地震能基本已经被下部构件吸收掉,所以产生很小的破坏。湖南大学的黄曙,尚守平[1]通过对湖南西部农村地区典型木结构房屋模型的振动台试验,得出了如果结构自振频率较低,自振周期较长,说明该试验模型由于木材的延性、榫卯等节点的作用使结构整体刚度较小,柔性较大,因此可减小地震作用和加速度。谷军明,缪升等[4]针对云南穿斗结构房屋的特点和穿斗式木构架进行讨论,最后得出穿斗木屋架和穿斗木结构围护墙体的抗震措施。高大峰、赵鸿铁等[5]对木结构古建筑中斗拱与榫卯节点的抗震性能进行试验研究。斗拱结构模型的试验结果显示,在地震反复作用下,榫卯节点发生滑移变形和弹塑性变形,榫、卯连接由于徐变的松动,使刚度退化而减轻了结构承受的地震作用,而斗拱本来就是起到减震耗能的作用其原因是当地震来袭并连续不断的振动下,是铺作(即斗拱)结构层发生弹性变形和摩擦滑移。何玲等[6]对云南省近几十年历次大地震中村镇木结构房屋的震害进行总结并提出了对于构件强度不足的,穿枋应贯通木构架的每根柱子并且柱子不宜有接长(如图1)。节点连接弱,需要加强榫的连接,并且檩条的平榫改为燕尾榫相连或交错搭接(如图2)。对于结构不稳定的体系只需增加斜撑,设置穿枋增加横向稳定就可以解决等相应的抗震技术措施。以上为前人提出关于木结构抗震特点及相关解决措施,对于这些抗震性能的研究,他们给出了相应的解决方法,同时也有很多不足,笔者认为木结构体系在地震的反复作用下,榫卯节点的晃动使卯孔增大,从而减小了榫卯之间的摩擦力,榫卯之间失去了相互的挤压,使榫头拔出,丧失了结构的稳定致使结构倒塌。所以在加强榫卯连接的同时,要既保持它的刚性,又要保持它的柔性,意大利研究人员[6]通过试验得知在其他条件相同的情况下,大柔度的结构比刚性结构更有利于抵抗地震,所以在设计木结构建筑时应尽量保证刚柔并进,使榫卯节点的变刚性连接达到最佳效果。

3木结构房屋抗震存在的问题及未来发展趋势

由于木材易糟朽,而古建筑中木结构建造已年代久远,所以这些已建造完的木结构房屋的抗震性能受很多因素影响。对于古建筑木结构房屋现大多是历史遗产,需要重点保护并要延长其使用年限以做历史的见证。为此,我们的研究人员做了大量的分析和调查,最终得出以下结论

3.1木结构房屋存在问题

①据统计,在地震中发生破坏的木结构,木柱的高度都高于3米,而规范中早有规定,木柱木梁中的房屋高度不宜超过3米。②由于地震的上下左右颠簸,在长期荷载作用下,大部分木结构古建筑的维护墙体产生徐变引起开裂。③由于年久失修和相应的锚固措施没有做好,部分建筑局部榫卯拔出,所以柱脚应采用铁件或其他措施与基础锚固。④瓦面破坏和建筑物局部装饰物有破坏。

3.2木结构发展趋势

自然健康和舒适放松是现代人们一直追求的,而木结构正是人们所最需要的生存环境,并且木结构房屋是抗震性能较好的结构形式之一,对于未来木结构的发展将继续围绕小城镇建设,但由于我国森林资源匮乏,相关研究人员不足等原因,造成我国木结构发展缓慢。伴着木结构建筑在我国的再度兴起和曾经的辉煌,研究人员的不断深入,抗震措施等一步步跟进,木结构建筑将会成为中国建筑史上的又一片绿洲。经过多年的修复,我国森林面积已居世界第五位,扩大森林面积不仅是为了改善生态环境,同时也要培育优良树种,提高木材质量,并合理采伐,使木材用到实处,达到可持续发展的效益。宝贵的森林资源应良好利用,使之成为取之不尽,用之不竭的资源,这样木结构建筑一定会得到广泛的应用。笔者希望可以借鉴现存的木结构资料,回顾国内外木结构古建筑的优点,并深入研究将木结构建筑发展开来,为中国建筑事业增添一抹光彩。

4结语

通过对木结构房屋的调查及研究,发现木结构建筑还有很大发展空间,榫卯是传统木结构理论研究的关键,其节点性能和节点假设对传统木结构稳定研究具有重要意义。同时,木结构建筑在大地震中吸收的地震力小,可以有效的减轻地震带来的灾害,由于木材有很强的弹性恢复力,可以抵抗各种冲击荷载和疲劳破坏。相信木结构建筑将来会在中国建筑领域占主导地位,成为可持续发展的绿色建筑。

参考文献:

[1]黄曙,尚守平.农村典型木结构房屋的抗震性能试验研究[J].铁道科学与工程学报,2009.

[2]赵均海.中国古代木结构的弹塑性有限元分析[J].西安建筑科技大学学报,1999.

[3]谢启芳,赵鸿铁,薛建阳,门进杰,王威.汶川地震中木结构建筑震害分析与思考[J].西安建筑科技大学学报,2008.

[4]谷军明,缪升,杨海名.云南地区穿斗木结构抗震研究[J].工程抗震与加固改造,2005增刊:205-210.

[5]高大峰,赵鸿铁,薛建阳.木结构古建筑中斗拱与榫卯节点的抗震性能[J].自然灾害学报.西安,2008.

[6]何玲.潘文.杨正海.陶忠,等.村镇房屋木结构震害及抗震技术措施[J].工程抗震与加固改造,2006.

[7]姚侃,赵鸿铁,薛建阳,等.木结构古建筑的抗震性能分析[J].建筑科学,2007.

作者:李凌旭 单位:云南大学滇池学院建筑工程学院

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