古建筑榫卯联接结构的力学合理性分析与优化.doc

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1、下载可编辑《东南大学学报(副刊)》[ISSN:1001-0505/CN:32-1178/N],期数:2013年第4期页码:849-855栏目:土木工程古建筑榫卯联接结构的力学合理性分析与优化及相应推广设计王云飞於恒花逸扬林雨豪孙延超摘要简要分析了抬梁式建筑的等应力设计原理，分析了部分重要构件及重要节点，并对相应节点设计提出了改进意见。关键词：古建筑榫卯力学分析榫卯结构的受力特性榫卯结构，是通过卯口与榫头的结合，以达到一种横向或纵向传力的结构，节点处往往比较薄弱，榫卯结合处一般不能承受较大的弯矩。榫卯连接节点属于半刚性节点，在榫头

2、拔出的过程，结构构件会产生很大的变形和相对位移，可以使结构的内力进行重新分配。由于制作误差及木材本身特有的弹性，榫卯难以完成严格意义上紧密结合，在结构的初始受力阶段，连接节点更近似于铰接。随着节点变形增加，节点刚度亦随之增加。由于卯口对榫头有一定握裹力，在地震作用下，榫头与卯口会形成摩擦滑移，从而消耗一部分能量，可以有效减小上部结构的地震反应，减震效果明显。单位换算宋尺一尺约为现在国际单位制的32cm，宋斤一斤接近于0.625kg，为方便研究，本文将长度、质量单位统一换算为现行单位。本文的几点假定.专业.整理.下载可编辑（1）裂

3、缝、木节等缺陷严重影响节点与构件受力性能，较小的荷载便会导致裂缝扩展与加深，在裂缝或木节处突然断裂，发生脆性破坏，非常危险。由于本文主要进行理论计算分析，故对此不予讨论，计算时，假定所有构件使用之木材纹理皆为顺丝且无任何瑕疵。（2）古建筑为了抗震需要，常常会使木柱上端向内收敛，谓之侧脚。实验证明，地震作用时，侧脚作用明显。以殿堂为例，一般殿堂外围木柱，面阔方向侧脚1%，进深方向侧脚0.8%，因倾斜角极小，对本文演算之影响可忽略不计，故假定建筑柱身皆为竖直。（3）因为柱脚以管脚榫与石础相连，柱脚之间连以地栿，且榫卯联接不能提供过大

4、的弯矩，故假定柱脚与基础铰接。由于柱端受相连的斗栱、木枋等约束，故假定柱端受侧向支撑，但竖直方向自由。（4）因为榫卯联接近似于铰接，结构之间允许较大的相对转角，因此结构体系对地基沉降并不敏感，是以假定微量的基础沉降不会使结构产生相应的附加应力。（5）考虑到木材瞬时持荷的能力高于长久持荷的能力，计算时不考虑木材的塑性开展，即自中和轴到构件边缘，应力成线性分布，且构件边缘应力不高于构件相应的抗拉、抗压强度为安全。古建筑的两种典型结构形式（1）抬梁式一般斗栱密布，又称大式建筑。柱身不直接承受檩端荷载，屋面荷载经由脊柱传到小跨度的两椽栿

5、，再由短柱传到大跨度的四椽，六椽，乃至于八椽栿，层层传递，最后以柱首上承梁端。优点是，采光好，柱网稀疏，内部宽敞，大气恢弘。.专业.整理.下载可编辑缺点是，梁柱用料粗，造价高，山向抗侧刚度不如穿斗式。属于官式建筑，一般多见于江北。（2）穿斗式无斗栱，又称小氏建筑。柱身细长，柱端直接上承檩条，柱间联系梁上不承重，只起联系作用。优点是，梁柱用料细，造价低，山向抗侧刚度大。缺点是，柱网密，采光差。因为柱间空间狭小，影响使用，一般鲜有严格意义上的穿斗式建筑，多使用小跨度的承重梁，形成一种混合结构，以满足使用需求。本文将讨论的几种古代建筑

6、形式（1）殿。跨度大，柱层、铺作层分界明显，柱等长。（2）堂。跨度较殿小，用材较殿亦小，柱层、铺作层分界不明显，柱不等长。面阔、进深、柱高的取值（1）各椽平长。在《营造法式》四、五两卷中，严格规定了大木作各个部分、各种构件的份数，但对于房屋的基本尺度如间广、椽架平长、柱高、出檐等却缺少明确的材份规定。《营造法式》中写到，“凡用椽之制，每架平不过六尺，若殿阁或加五寸至一尺五寸。”经考究，发现此处的六尺标准当是三等材的殿或六等材的堂标准。用六等材之堂，高6寸，厚4寸，每份4分，六尺折合150份。用三等材之殿，高7.5寸，厚5寸，每份

7、5分，六尺加一尺五寸为七尺五寸，折合亦为150份。调查发现，华严寺，奉国寺等古建，每.专业.整理.下载可编辑椽平长皆在150份左右，是以本文取150份为椽平长。殿，檐椽加飞子，五跳八铺作，外挑150份加90份加54份，共294份。堂，檐椽加飞子，三跳六铺作，外挑90加75加45，共210份。进深十椽，总计1500份。本文殿用三等材，堂用六等材。（2）间阔。殿取十椽七间，堂亦取十椽七间。单拱长76份，重拱长96份，殿堂一般都用重拱，即每拱宽96份。《营造法式》记载，“补间铺作一朵间广一丈。补间铺作两朵间广一丈五尺。其间广或不匀，每

8、补间铺作一朵不得过一尺”经考量，此处所谓一丈及一丈五尺，亦是以六等才论之。六等才每份4分，一尺为25份，一丈为250份，一丈五尺为375份，加上两个柱头斗栱，则每个斗栱平均占据125份，且每个斗栱所占面阔，变化范围不得超过25份。由此算得，单补间间阔为200~3