古建筑木结构力学性能与性能提升技术研究进展
贺俊筱，朱晓伟，朱伊，杨文懿，刘俊志
北京建筑大学土木与交通工程学院，北京住总集团，中国中医科学院
1 古建筑木结构基本力学性能研究
由梁、柱和榫卯节点组成的柱架层及斗栱组成的斗栱层共同构成古建筑木结构主要承载体系。古木建筑具有独特的抗倾覆能力，其抗倾覆能力来源于柱架层的竖向收分和侧脚，大种屋盖也可压实榫卯并增加恢复力。除柱架层外，柱架层上的斗栱节点通过多道枋连接形成的斗栱层，也是木构架重要组成部分(见图1)。
图1 古木建筑柱架与斗拱层
木柱是古木建筑的主要竖向承力构件，榫卯节点将木柱通过梁枋相连，构成柱架层。斗栱节点通过多道栱、枋相连构成斗栱层。斗栱层上承梁头，下坐平板枋或柱头，与底部的柱架层相连，形成基本的承力单元，即木构架。本部分以古木建筑殿堂式结构为例，详细总结柱架层和斗拱层的力学性能研究现状，以及2个结构层的协同工作机理。通过柱架层基本力学性能研究、斗栱层基本力学性能研究、斗栱层与柱架层协同工作以及古木建筑性能提升技术3个方面，分层次总结分析古建筑木结构受力性能，并提出目前的研究重难点，及进一步的研究方向。
2 柱架层受力性能
与现代建筑结构不同，古建筑木结构在梁柱节点和梁枋节点上通常采用榫卯节点相连(见图2)，以及古木建筑特有的构造措施，如侧脚、生起和雀替，这些是古木建筑区别于现代建筑的主要结构特征。
图2 柱架层
榫卯节点(见图3)具备转动能力和传递弯矩的能力，呈显著的半刚性特性。许多学者对燕尾榫节点和直榫节点开展拟静力试验，深入分析榫卯节点的运动机理、摩擦与挤压工作机制、损伤破坏模式、耗能机理等抗震性能。隋允康等通过数值模拟进一步研究榫卯节点的力学性能，结果表明，半刚性榫卯节点在水平反复荷载作用下，榫头与卯口间产生反复的挤压变形和滑移摩擦，展现出显著的耗能能力和减震作用。
图3 榫卯节点
柱架中的柱脚节点包括平摆浮搁、管脚榫接和套顶榫接等形式(见图4)。柱脚通常为平摆浮搁形式，即木柱直接浮搁在础石上，因此柱与柱础间的水平约束较弱，竖向约束主要通过古木建筑大屋盖产生竖向荷载。在地震或风荷载等反复荷载作用下，柱脚在其与础石交界面发生提离抬升，这种结构响应形成摇摆及自复位效应，既降低柱架在强震作用下的延性需求与地震破坏风险，又减小础石的抗拉需求，进一步提升结构减震效果，也体现古木建筑以柔克刚的减震性能。
图4 柱脚节点
综上，现有研究基本揭示榫卯节点、柱脚节点以及由节点组成的木构架的基本力学性能，但在描述各节点协同工作机理及各节点在空间构架中的力学行为时仍有提升空间。在描述榫卯节点空间力学行为时，常采用简化的假设和近似方法，可能无法全面反映其真实受力特性，且对古建筑木结构在长期荷载和环境因素(如湿度、温度变化等)作用下的性能演变研究较少。之后需深入探讨木结构在长期荷载和环境变化下的性能演变，为保护和修复提供科学依据。同时发展更高精度的数值模拟方法和工具，考虑木材的非线性特性、节点连接的复杂力学行为等因素，提高模拟结果可靠性。
3 斗栱层受力性能
斗栱层作为柱架层与梁架层间的关键结构层，是由斗、栱、昂、枋等构件按倒三角形式拼装成的大型弹塑性支座层(见图5)，具备支撑上层大屋顶和下承柱架层的功能，并展现出良好的抗震性能，其在宋代称为铺作层，宋代铺作尺寸比清代斗栱大，结构性能比清代斗栱突出，清代斗栱的结构性能逐渐减弱，装饰功能逐渐增强。《营造法式》《清式营造则例》中系统总结斗栱的分类、功能、传力机理及破坏形态，指出斗栱具有防雨、传递荷载、耗能减震等作用。
图5 斗拱层
当前关于斗栱层抗震性能的研究主要基于单朵或少数几朵斗栱的拟静力试验，缺乏对大规模、多层斗栱结构在复杂荷载条件下的研究，也缺乏对整个斗栱层系统抗震性能的评估方法，难以全面了解斗栱层在地震中的整体表现。需要开展更多包括大规模、多层斗栱结构在内的综合试验研究，获取更全面和详细的试验数据，以便更好理解斗栱层在复杂荷载条件下的力学行为和抗震性能。建立斗栱层系统性的抗震性能评估方法，综合考虑各构件和节点力学特性，研究不同荷载和地震作用下的整体响应，为抗震加固提供指导。
4 斗拱层与柱架层协同工作机理研究
斗栱节点与斗栱节点通过多道枋相连后形成斗栱层。斗栱节点与斗栱节点间的连接是斗栱层受力性能分析的重要连接。由于斗栱本身抗侧刚度较大，加之斗栱间通过多道枋相连，使斗栱层的抗侧刚度远远大于柱架层，故古建筑木结构抗侧刚度在竖向具有突变性(见图6)。现有研究表明，斗栱层在竖向地震作用下呈变刚度线弹性变化，对地震动的竖向传递率很小，且斗栱层是木结构主要的减震与隔振层。
图6 斗拱层与柱架层
国内外学者们进行大量的古建筑木构架足尺与缩尺模型受力性能研究，发现斗栱层能引起木构架抗侧刚度变化，但斗栱层对木构架侧向刚度贡献尚无定量化的表达式。且斗栱层在不同加载方向下，滞回耗能特性具有明显差异，但现有研究关于不同方向梁柱木构架与斗栱层间的联系规律不明确，缺乏对不同加载方向下柱架中斗栱的抗侧作用、耗能能力量化分析。因此，亟需构建考虑斗栱与柱架间协同工作机理的古建筑木构架计算模型，该模型对量化斗栱层的抗侧作用和耗能能力以及分析木构架的整体工作机制至关重要。
4 古建筑木结构抗震性能提升研究
在漫长的历史进程中，古建筑木结构产生不同程度的构件损伤和局部倾斜，安全状态堪忧，如宁波保国寺大殿北倾、山西武乡县真如寺大殿檐柱和内柱后倾，各部件出现节点脱榫、歪闪等现象，显著降低其抗震能力。因此，需采用合理的抗震性能提升技术，增强古建筑抗震能力，确保其在恶劣条件下仍能保持历史和文化价值。
根据各项研究和实际震害情况可知，榫卯节点在地震及风荷载反复作用下易出现连接松动、榫头扭转、榫头横纹撕裂、卯口劈裂甚至脱卯等问题，这些节点对结构受力至关重要，其破坏可能导致结构局部倾斜或倒塌，因此需重点关注节点损伤状态，提出适用于古木建筑节点的可逆补强措施，以提高节点及结构的抗震能力。早期修缮加固方法分为传统加固和现代加固方式，传统加固方式通常采用铁件加固法、木构件加固法、嵌补、墩接、包镶加固法等(见图7)。传统加固方式可较好保证构件外观完整性，但多数情况下不可逆，一定程度影响材料真实性。且嵌补材料与原材料材性不完全相同，随着时间推移，2种材料结合的紧密程度下降，影响构件后期工作性能。现代加固方式通常采用碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer, 简称CFRP)，材质轻薄，在木结构加固后使用彩绘对其外观影响很小，同时没有额外增加质量(见图8)。
图7 传统加固方式
图8 CFRP加固
形状记忆合金(SMA)是新型功能性材料，具备形状记忆效应、超弹性和高阻尼特性，能够有效抑制结构变形和振动。郑建国等开展拟静力试验，验证SMA装置在变形过程中能够有效吸收能量并恢复无残余变形(见图9)，能够限制榫头拔出以提升抗转动能力(见图10)，且可通过套箍连接固定而不破坏梁柱。张锡成等提出新型SMA丝加固装置，可在不显著提高节点抗弯刚度的前提下，表现出较高的承载力和良好的自复位性能。
图9 SMA加固节点示意
图10 SMA加固节点加载示意
综上，虽然各种加固方式在试验中均表现出良好性能，但仍需验证其在古建筑木结构中的长期效果和实际应用可行性，对其加固方式进行完善。同时对其他新型材料进行研究，探索更多修缮方式。在修复和加固过程中，综合运用传统与现代技术，以达到最佳的保护效果。
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古建筑木结构力学性能与性能提升技术研究进展 （全文刊登于《施工技术（中英文）》2024年第17期）
贺俊筱,朱晓伟,朱伊,等.古建筑木结构力学性能与性能提升技术研究进展[J].施工技术(中英文),2024,53(17):100-106.
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本文责编：李雅丽
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