中国古建筑木结构力学研究

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前言

中国文化博大精深，流传至今的文化当中包含了大量我国古人的智慧，古建筑可以说是当今世界上最伟大的创造发明之一，从古代起就以其舒适、优美和实用等特点流传至日韩等国。在当今世界经济飞速发展的背景下，中国古建筑已经成为人类世界最宝贵的文化遗产之一。而古建筑中的古木结构是最具特色的一种，中国古代的佛寺及观音阁等都以古木结构为主。现阶段加强对该结构的研究对于保护人类文化遗产具有重要的意义。近年来我国涌现出越来越多的学者从不同的角度对其展开研究，本文将从力学角度对其研究进展进行描述。

一、中国古建筑木材力学性能

青铜和石器时期，我国的木材资源相当丰富，当时的生产力和环境条件下，人们通过智慧运用木材来搭建房屋。经过古人不断的努力，他们意识到了木材搭建房屋的种种优点，并逐渐将木结构搭建房屋的技术和经验流传了下来。但是值得注意的是，木结构同其他结构的建筑相同，在建造建筑时同样也存在着许多问题。

(一)材性劣化

我国的木结构古建筑经过上千年的洗礼，至今为止已经受到了各种不同的虫蛀及腐蚀，其材性受环境的影响较大，劣化现象严重。在现阶段的古建筑木结构力学研究过程中，专家们最为关心的问题就是古建筑中的材性劣化问题［1］。近年来我国相关方面的专家针对木结构的古建筑材性的变化进行了仔细的对比和研究，其中有对大概拥有九百年历史的北岳庙大殿的研究和约有二百年历史的易昌陵碑楼的研究。经对比，专家们总结出木结构古建筑受到环境和时间的影响比较严重，经历时间越久的建筑，它们的材质更加脆弱，力学性能更加低下，虽然不同的树木种类会使其产生不同的腐蚀程度，但是其变化的整体趋势是相同的。最初我国对材性劣化的研究方法是应用接种腐朽菌的方式，这种方法能够促使木材腐朽速度加快，从而进行对比，得到想要的实验结果，其结果表明不同的木材，其物理及化学性质是按照一定规律进行衰变的。

(二)木材的各向异性

木质材料最大的特点就是它的各向异性，我国在对木结构的精细化有限元进行研究的过程中，专家陈志勇提出了本构模型，该模型能够充分反映出木材各项异性中的抗压能力、弹性及二次应变的硬化在横纹承压下的反应等，以编制的方式在ABAQUS当中融入木材本构模型，同时专家还将这一方式在易昌陵碑楼的受力性能研究中进行了充分的应用，加强分析了对斗栱等受力性能的有限元。

二、关键节点斗栱的受力机理

我国古代建筑最主要的特点就是殿堂式，其通常拥有三层结构。其中斗栱是铺作层的关键受力节点。在现阶段保护古代建筑的研究过程中，加强对斗栱受力机理的研究具有重要意义。中国古代建筑有众多独特之处，而斗栱就是最主要的特点之一，它最早产生于商周时期，距今已有三千年的历史。在建筑当中它最大的作用就是过渡，是屋顶同柱架之间的部分，建筑屋檐需要靠其进行支撑，并促使柱子能够直接承接屋顶的重量，也可以将屋顶的重量先转移到阑额上，之后再由柱子承接。

(一)宋式斗栱

在对斗栱进行研究的过程中，宋式斗拱具有重要的研究价值，在《营造法式》的基础上，高大峰等研究专家专门制作了相关模型，以二等材料计心造八铺为主，进行了水平和竖向两种加载试验，得出了斗栱模型在这两种不同情况下发生的破坏和载荷以及其位移曲线。在对实验的结果进行充分分析的基础上，制定出了不同的模型，例如质量弹簧阻尼器模型等。根据一系列的实验及模型，最后得出了斗栱性能的结论，即其在两个方向上都能够体现出较高的抗震能力。事实上，铺作层的关键节点是斗栱，加强对斗栱的研究有助于了解该层的受力情况。近年来宋式斗栱模型中的单朵和两朵受到专家们的青睐，隋龚等专家加强了对这些模型的应用，并进行了水平低周重复加载的研究，从而得出总结出不同铺作在遭受破坏的过程中所受到的相同的外力情况，以及骨架和水平滞回的曲线状况。通过对比和分析，他总结出水平的滑移对铺作层的破坏最为严重，但是值得注意的是该水平滑移具有重要的作用，它能够进行隔振和耗能，这对于木结构的古建筑来说具有重要的作用;同时经过试验发现，平行四边形是滞回曲线的主要形式，拥有相对饱满的滞回面积，这一现象表明铺作层当中最主要的特征就是滞回耗能较强。

(二)清式斗栱

近年来在清式斗栱的研究过程中，专家赵均海等主要以三种模型为主进行了实验，有效测量了其动力特性和水平向重复加载。通过反复的实践，最后发现了清式斗栱在不同方向上会发生的位移曲线，还加强研究了它的动力特征在不同边界条件下产生的变化。还有专家运用了三维半刚性节点，这一单元模型可以按照全部结构中自振频率应用Simplex手段定位模型的系数范围。该模型是古木结构整体受力性能有限元分析的重要理论基础。

结论

近年来，世界各国经济取得了巨大的进步，人类的文明取得了极大的进步，在这种情况下，人们越来越注重对古代文化遗产的保护。在我国文化遗产当中，古建筑木结构具有重要的保护价值。近年来，我国专家学者加强了对中国古建筑木结构力学的研究，希望通过研究，对其进行有效的保护，促使我国古建筑文化得以传扬，同时向世界展现出我国古代人类的智慧。随着研究的不断进展，专家们从材性劣化和木材的各向异性对中国古建筑木材力学性能进行了充分的研究，同时对宋式和清式斗栱的特征进行了深入分析。

作者：张润泽 单位：河海大学