摘要:近年来,随着我国社会经济的快速发展,城乡一体化建设步伐的加快,建设项目不断增多。其中,斗是我国传统殿堂型木结构建筑的重要结构部件,代表了我国传统建筑文化,体现了我国传统建造技艺的精髓。文章首先介绍不同时期、不同类型斗的竖向和水平加载试验研究,总结试验研究中的参数变化和相应的破坏形态。其次,归纳现有基于试验研究提出的斗竖向力学模型和水平恢复力模型,综述铺作层抗震性能试验和减震、隔震机制。以期为斗后续研究提供新的思路。
关键词:传统木结构建筑;斗力学性能;研究进展
引言
斗是殿堂型木结构建筑的显著特征之一,也是中国传统建筑文化的标志性元素。斗在不同时期有不同名称,又被称作铺作、斗科、枓、欂栌等,是由水平放置的方形斗、升、和斜置的昂组成,斗在结构上具有传递荷载、减小跨度、增加出檐等作用,在殿堂型木结构建筑中,通过柱头、补间、转角铺作的巧妙结合形成了铺作层,铺作层的竖向层叠变形和水平摩擦变形契合了现代结构的减震理念,充分体现了我国古人的建筑智慧。
1斗的演变及分类
各个时期的斗具有不同的形式特征和功能作用。唐代以前的斗仅在墓葬中发现了少量遗迹,且该时期的斗结构简单,科学研究价值较弱;唐至元时期的斗在建筑中开始发挥重要的结构作用,其抗震机制应进行深入探究,另外该时期的木结构建筑仍有少数保留至今,且已成为国家重点文化保护建筑,亟需进行科学合理的保护和修缮。明清时期的斗是在唐宋斗形式之上,根据建筑功能、建筑审美、建造材料的变化演变而成的,是自成体系且同样发展至技艺巅峰的斗形式。现有关于斗性能的研究主要集中于唐宋时期和明清时期的斗,本文从斗的竖向承载、水平抗震、铺作层抗震作用以及斗有限元分析４个方面对国内外的研究进行了梳理归纳,对斗的研究现状进行总结并提出可能的后续研究方向。
2斗竖向承载力学性能
2.1试验研究及破坏形态
斗通过挑檐桁、正心桁以及与之间的挤压层层传递屋面荷载至下部结构。通过这种方式,斗可以支撑屋面的出挑,传递竖向荷载至柱架层。斗竖向加载试验是研究斗竖向承载力和破坏模式的直接方法,现有研究中竖向加载试验主要采用两种加载方法:一种是正向加载,荷载施加于乳栿上;一种是倒置加载,以慢为支座,栌斗为施加荷载端。斗在竖向荷载作用下的传力机制是从上至下逐层传递至栌斗,越靠近斗下部的组件承受的荷载越大。因此,试验研究中的破坏形态主要表现为斗下部的华折断、栌斗劈裂等,而斗上部的昂、慢、瓜子等组件由于只承受部分荷载的作用,未发生明显的破坏现象。
2.2力学模型
中国传统建筑对于斗的选用,通常是依照房屋建筑等级、用材规格来确定形式和尺寸的,对斗竖向受力机制没有深入探究。斗在竖向荷载作用下,由于木材的局压变形,斗的刚度、承载力会发生变化,通过建立力学模型推导出斗的竖向承载力和竖向刚度理论公式是研究斗力学性能的关键。斗在竖向受力时,具有三折线的变刚度力学特征,这与斗中组件的横纹受压性能有关。在加载初期,斗处于弹性受力阶段,由于木材横纹受压弹性模量低以及存在初始的安装间隙,此阶段的弹性刚度较低;随着荷载进一步施加,斗部分组件进入屈服状态,木材横纹受压屈服后性能进入强化阶段,斗整体刚度呈现出增大的趋势;当斗部分组件随着荷载施加出现破坏时,如华开口处木材劈裂、栌斗劈裂等现象,斗刚度开始下降直至最终破坏。三折线的力学模型较为清晰地诠释了斗竖向加载下的受力特征。
3斗水平抗震性能
斗在水平荷载作用下,通过与之间的摩擦和挤压,使得斗具备一定的耗能作用,这种耗能作用与斗的形式、尺寸有关。研究按照殿堂二等材柱头铺作形式,采用俄罗斯进口红松,制作了1:3.52的缩尺模型,进行了单铺作、两铺作、四铺作的低周反复荷载试验,试验过程中发现单铺作的栌斗与普柏枋之间的馒头榫容易被剪断,而两铺作、四铺作的未被剪断,斗最终由于变形过大结束加载,但斗自身未出现明显破坏,铺作的滞回曲线均呈现平行四边形的特征,具有良好的耗能作用。有研究者对故宫太和殿一层、二层柱头科,平身科,角科的1:2缩尺模型进行了反复荷载试验,加载时采用斗倒置,分别在坐斗的横向和纵向两个方向进行水平加载,试验中斗的各构件间不断发生摩擦和滑移,但未出现明显的构件破坏现象。研究可以得出,斗在水平荷载作用下具备一定的耗能能力,并且在多铺作组合下抗震性能比单铺作下更优越。现有研究提出了不同类型的斗恢复力模型,但主要基于试验数据的拟合,尚未形成统一的斗恢复力模型,制约了相应数值模型的深入分析和应用。
4铺作层抗震性能
4.1振动台试验
铺作层是由多种不同形式铺作共同组成,铺作数量、铺作间距、铺作间的联系是影响铺作层抗震性能的重要因素。研究铺作层斗尺度、斗数量对木结构抗震性能的影响,结果表明:在强震作用下,斗布置数量越多、布置越对称,铺作层对地震动加速度的衰减作用越明显,斗铺作层的侧向变形也越小;而当斗的尺度减小后,虽然仍可降低斗铺作层的侧向变形,但对地震动加速度的衰减作用却不明显。
4.2铺作层减震、隔震理论模型
铺作层在地震作用下刚度、阻尼等动力响应的变化是影响铺作层耗能减震作用的关键因素。对中国古建筑中清式斗进行了动力试验研究,得到了斗模型的频响函数曲线以及边界条件、竖向荷载等对固有频率和阻尼比的影响。有前辈推导了铺作层的水平刚度和阻尼比的计算公式,提出了铺作层隔震结构水平和竖向的动力分析模型。并通过对柱架层和铺作层的振动台试验,基于能量分配系数建立了柱架层和铺作层的地震破坏评估模型。研究结果铺作层的减震、隔震性能是研究殿堂型木结构建筑抗震性能的关键,铺作层抗震效应除了与铺作层自身的刚度和阻尼相关外,还与上下部结构质量和频率的比值相关,目前的减震、隔震理论模型较少考虑木结构梁架层对铺作层动力反应的影响。
结束语
综上所述,斗是中国传统建筑文化标志性的符号,是我国古代匠人智慧的结晶,唐宋时期的斗雄大壮阔,明清时期的瑰丽秀美,均在世界建筑史中留下了浓墨重彩的一笔。本文对我国传统建筑斗的起源和分类进行了阐述,梳理了斗力学和铺作层抗震性能的研究现状。目前对于斗在竖向与水平荷载下的力学性能研究众多,但多基于特定的研究对象,对不同时期、不同类型斗的力学性能对比研究较少。提出的斗力学模型大多基于试验研究结果,未能形成普适的力学模型,建议开展基于斗几何尺寸、材料参数的统一参数化恢复力模型研究。现有研究通过振动台试验和理论分析对铺作层的减震、隔震机制开展了充分的研究,但缺乏对铺作层抗震理论模型在整体建筑动力弹塑性分析中的应用研究,铺作层简化模型模拟方式单一且未考虑大震下斗的滞回特性。
参考文献:
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