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1、木结构古建筑的力学研究及抗震分析木结构古建筑的力学研究及抗震分析北京交通大学硕士学位论文木结构古建筑的力学研究及抗震分析姓名:郝焱申请学位级别:硕士专业:固体力学指导教师:张平之20040301 北京交通人学埘。学位论文木结构古建筑的力学研究及抗震分析摘要本文对中国木结构古建筑的结构及抗震性能进行了深入的研究。从材份制、理论建模、斗棋受力分析出发,得出了木结构古建筑的一些有实际意义的结果:一介绍了材份制的内容及力学意义,以襻间这一结构形式为例,采用传统的分析方法,通过对结构的简化,得到计算简图,利用材份制计算了檩、襻间的荷载分配,但在简化过程中,所作的假设与实际受力情况有很大出入,从而增大了计
2、算误差,因此引入有限元模型。二提出了合理的木结构古建筑的计算模型,即将柱与柱基础的连接简化为铰接形式,将柱与梁的连接、柱与斗棋的连接简化为半刚性连接。用变刚度单元来模拟真实木结构的梁柱桴卯连接,用单元中不同刚度条件掰反映真实的半刚性连接。值可通过模型试验确定。三斗棋是木结构古建筑中结构翱受力特性最为复杂的一组构件,由于斗棋种类繁多,本文以拄头铺作为例,对铺作中各构件的受力特点进行了分析,明确了荷载的传递路径。四针对木结构古建筑的结构特点,从构架整体性入手,总结归纳了构架的抗震措施。同时通过柱与梁、柱与阑额、柱与斗棋的不同连接方式,分析了构架结构抗震的合理性。以上的结果和研究方法对木结构古建筑的
3、研究和保护提供了重要的依据和方法。关键词:木结构古建筑, 理论建模, 变刚度单元,计算模型, 桦卯连接北京交通人学硕一:学位论文,., . ., . , .; ,? . .吨 .,.,. ,., . .:; ;北京交通人学硕士学位论文第章绪论中国古建筑是中华文明的重要组成部分,是中华民族乃至世界建筑艺术的瑰宝,具有极高的文物、历史和艺术价值。其影响远及日本、韩国等国家。许多工程宏大、艺术精湛的古建筑,都是过去劳动人民多少年来血汗和智慧的结晶,它们反映了古代劳动人民创造才能的高度成就,象征着中华民族的优良传统。其中最具中国特色,数量众多且蕴涵丰富的历史文化信息的当属木结构古建筑。许多已被列入世界
4、或各国的文化遗产清单。以木结构为主体的建筑体系自形成以来,经历了漫长的历史阶段。在几千年的历史发展中,中国古建筑经过了不断形成、发展、成熟、演变的过程。各个不同历史时期的建筑在平面布局、立面形式、构造方式、建筑风格诸方面都形成了不同的风格特点。有别于钢结构、钢筋混凝土结构、也有别于用铁钉、铁匝连接的近代木结构,这个体系的特点是用木料作成房屋的构架,先从地面上立起木柱,在柱子上架设横向的梁枋,再在这些梁枋上铺设屋顶,所有房屋顶部的重量都由梁枋传到柱子,经过柱子传到地面,而在柱子之间的墙壁,不论它们是用土、用砖、用石或者其它材料制成,都只起到隔断的作用而不承受房屋的重量。当遇到地震,房屋受到突然的
5、、猛烈的冲击时,由于木结构各个构件之间都由榫卯连接,在结构上称为软。性连接,富有韧性,不至于发生断裂,于是有“墙倒屋不塌”的现象.木构架的结构形式中国古代建筑很早以前就采用了木构架的结构方式。我们从二千年前汉代墓穴中的明器和地面的汉阙上都可以看到这种术结构的一期形式。现在留存下来的古建筑绝大多数也都是术结构。即使一些砖筑的佛塔和无梁殿或者陵墓的地下墓室,虽然全部用的是砖石结构,但它们的外表仍然模仿着木结构的形式,可见木结构在中国古建筑中所占的统治地位了。北京交通人学坝学位论文从大量木结构的古建筑中,可以看到它们的木构架具有以下三种基本方式,即抬梁式,穿斗式和井干式“。抬梁式构架:它的形式是在建
6、筑的基座上立柱,在房屋进深方向的柱上架梁,梁上立矮柱,柱上再架梁,这样层层相叠直至屋脊,构成一组木构架。在平行的几组木构架之间,用位于立柱上方的枋相联系,在各层梁头及脊瓜柱上又有横向的圆木联系,这种圆木称为檩。檩上又架纵向的椽,整个屋顶的重量就是通过这些椽子、檩子、梁、枋,经立柱而传到地面图】.】 。,.,一.一鋈。:熬一一,.二二。 。.。 。.:?.?。.。?.。?.?.,:.,。 。.。.。?。 。.?一?。,;.;幽.抬梁式构架两副木构架,即四根立柱的范围内称为一“间”,这个问就是中国古建筑最基本的单位。一座房屋的大小即决定于它的“间”的大小纵向进深和横向面广和问数的多少。抬梁式构架形
7、式在古建筑中用的最为广泛,不但宫殿、寺庙等大型建筑,在北方的一般民房中也都采用这利,构架。穿斗式构架:这种构架是在房屋的进深方向立柱,但柱子较密,直通北京交通大学碳。学位论文向上,柱上不用梁,将檩子直接放在柱头上,在这些柱子之间用穿枋贯通柱子而相连,形成一排排的构架。在各排构架之间除有檩子外还有纤子和斗枋作横向联系。这种结构因为屋顶的重量通过椽子、檩子直接传到柱子而达地面,所以立柱和穿枋的用量都比较小图.。穿斗式构架的大小视房屋进深而定,进深越大,立柱越多,屋顶也越高,因而穿枋也多。例如有三柱三檩一穿,五柱五檩三穿?九柱九檩四穿等。穿斗式构架多用在南方一般建筑上,有的南方寺庙等大型建筑也有采用
8、这种构架的。,图.穿斗式构架井干式构架:这种木构架的形式是用天然圆木或者经过加工成为方木、多角形的木料层层密叠成为房屋的墙体。因为这种结构消耗木料很多,所以只在森林地带采用,它不是中国古建筑的主要构造方式图.。明、清古建筑的建筑形式是多种多样的,仅亭子一类,就有几十种之多。屋顶构架的形式归结起来不外乎我们常见到的:硬山、悬山、歇山、庑殿,攒尖五种基本形式。在这五种最基本的建筑形式中,庑殿又有单檐庑殿、重檐庑殿:歇山有单檐歇山、重檐歇山、卷棚歇山等;攒尖建筑则北京交通大学硕上学位论文图.井干式构架有三角、四角、五角、六角、八角、单檐、重檐等多种形式,再加上由两种或两种以上建筑形式组合起来形成的复
9、合式建筑,使古建筑呈现出极为纷繁复杂的建筑形式。尽管古建筑形式纷繁复杂,但各个部位都有较为固定的比例关系,这些比例关系是古建筑设计与施工共同遵循的法则。千百年来,古代的建筑大师们遵循这些法则进行建筑实践,.建造了无数形式多样、风格统一的建筑,使中国古建筑在世界建筑中独树一帜,形成了极其鲜明的民族风格和艺术特色。.木结构古建筑的优缺点中国木结构建筑延续了数千年,自然有它自身的优点,这主要表现在:首先在使用上有很大的灵活性。不论是抬梁式或穿斗式构架,房屋都是用立柱而不是用墙体承重,这样,使外墙和内墙都可以根据使用需要而灵活北京交通大学硕士学位论文处理。例如房屋外墙可以是实体的墙,在北方可以用厚墙,
10、在南方可以用木板或竹编的薄墙;也可以做成门窗,甚至房屋四面可以临空而不用墙,因而满足了殿、堂、厅、榭、亭等各类建筑的不同要求。在屋内更可以采用板壁、橘扇、落地罩、屏风等组成各种不同用途的空间。其次,木结构的防震性能较好。由于木构架的各部分之间绝大多数都是榫卯相接,所以这些节点都属柔性连接;再加以木材本身所具有的韧性,所以遇到像地震这样突然的袭击力量时,可以减少断裂和倒塌的发生,加强了建筑的安全。蓟县独乐寺观音阁建成已一千年,年唐山大地震使这个地区不少房屋倒塌,而这座木阁却安然无恙。年月,联合国教科文组织派专家到中国实地考察云南丽江市申报的“世界文化遗产” 。专家一行到了北京,丽江地区却发生了大
11、地震。在丽江,专家们看到不少新建的大楼倒塌,道路受损,但令人惊奇的是丽江有些老住宅、老店铺的墙壁被震倒了,或受到了不同程度的损坏,而老建筑的构架依然挺立,保持着原来的形态。这就是老建筑中采用了榫卯及斗棋连接的结果。第三是木结构便于施工。木材是天然材料,它不像砖瓦那样需要用土进行烧制;它比起同样是天然材料的石头,加工又容易得多。同时,在长期实践中创造了以标准“材”或“斗口”为基本尺度的模数制,使得工匠可以根据规定尺寸对不同构件同时加工,然后到现场拼装,较少受到气候的限制,加快了房屋建造的速度。当然,木结构同时也存在着缺点,例如坚固性、耐久性差,木材怕火,怕潮湿和各种虫类腐蚀,历代受雷击而毁于火灾
12、的建筑不计其数.连故宫太和殿这样重要的皇家建筑都遭受火灾而不得不重建】:木结构古建筑的正脊座落于脊瓜柱支撑的脊枋上,垂脊则由角梁和由戗构成,由于脊瓜柱处于悬臂状态,而角梁、由戗与金檩、檐檩、趴粱的连接相对较弱,致使屋面系统的结构整体性相对主体木构架明显较差,加之古建筑的屋面荷载较一般木结构民房要高,使得其屋面系统的抗震能力相对较低,地震时有可能在较弱的正脊、垂脊、戗脊等部位出现震害。古建筑的维护墙、山墙多采用碎石土,其结构性较差,在动荷载作用下极易开裂、酥散。南方北京交通人学硕学位论文木建筑受白蚂蚁的侵害已成为严重问题,所以木建筑比起砖石建筑,它的寿命要短的多。其次木料的来源也比砖石困难,它受
13、到树木本身生长缓慢的限制,不是任何时候都能大量开采的,即使在中国封建社会那样高度集权的制度下,到后来也没有力量大办营建之事了。木建筑在中国这块土地上延续发展了数千年,在世界建筑中构成了它独特的体系。.古建筑的群体布嚣我们看到的中国古建筑,总是成组成群的出现,大到寺庙宫殿,小到一所民宅,莫不是这样,现在有些楼阁和高耸的佛塔好像是单个地存在,其实它们原来都是成组建筑中的一部分,如今只是别的建筑已毁坏无存罢了。现在以分布最广,数量最多的住宅来分析:北方的“四合院”是我们最常见的住宅建筑形式。为什么称四合院,因为它是由四座房屋加上联系性的廊子等前后左右围成一个院子。一般地说,座北朝南的称为“正房”,因
14、为它方向好,冬暖夏?,所以归一家之主即长辈所用:东西两旁称“厢房”,南面的有时称“倒座”,这些是家庭儿孙辈和服务性的用房;大门多开在东南角,进门趣着厢房的山墙做成的“影壁”然后才进到院内,房屋之间有时用廊予相连。这样的布置,在使用上合乎中国古代家庭的礼教制度,即长幼、主仆有别,强调家庭中尊卑的秩序;在功能上用房屋组成院落,院内种植花木,创造了一个既安全又安静的生活环境。住宅的大小随着主人的经济状况而定,对于封建官吏、富商来说,一所简单的四合院当然不能满足他们的要求,于是在纵深方向又增加房屋组成前后几重院落;有时受用地的限制而在东西方向并列几个院子的;但不沦是纵向串连还是横向并列,主要房屋都处在
15、根轴线上,左右基本对称,使整组建筑保持一个规整的布局。这种院落式的住宅,在各地又因气候、材料、生活习俗不同而出现许北京交通大学颂:学位论文多不同的形式。北方天气干燥,冬冷夏?,同时地多人少,所以住宅院子都比较大,使冬季有较多阳光照入室内,四周房屋多不直接相连。但南方气候潮湿炎热,地少人多,用地紧张,所以住宅院子不能过大,四周房屋多连成一体,中央围成一个小天井作采光、通风和交通联系的用途。有时四周房屋还建成二层楼房,使天井院显得更狭小,外形方整如印,俗称为“一颗印”式住宅。在黄土高原地带,也有利用黄土的特性建造窑洞式住宅的。住宅是这样,宫殿、寺庙等大型建筑也是这样,都是由单座建筑组成规整的院落,
16、只是它们的单座建筑更讲究,院子更大.组成前后左右的院落更多,成为更大的建筑群组。中国建筑从四根柱子组成一“间”开始,由“间”组成各种不同形式的单座建筑,由单座建筑又组成大小不同的院落建筑群组,一座城市也主要就是由这许许多多用途不同的建筑群组所组成。这种规整的建筑群组是我国古代建筑的主要形式,但并不是唯一的形式。在山区或地形复杂的地方,各建筑之间或者各个小院落之间不可能都前后左右完全整齐对称,而要因地制宜地进行安排组合。在园林设计中,为了创造有变化的景观,往往有意识地将建筑分散灵活安置以组成不同的空间,完全打破了规整的格局。当然这些厅堂亭榭,大大小小的园林建筑也都是整个园林建筑群组中的一个部分,他们都不是独立存在的,只是组合方式与宫殿、住宅不同而已。正因为与此,才使中国古代建筑群组呈现出丰富多彩的面貌,形成了自己独特的风格。.研究现状我们可以发现,在我国的历史文化遗产,文物保护单位类别中,古建筑所占的数量最多。而且其它类别如古遗址、古墓葬、石窟寺等,也都是建筑的遗迹。除了个别的石碑石刻之外,所有的不能移动的文物几乎都是古建筑。
