中國古建筑木結構力學研究進展

侯艷芳

[摘要]中國古建筑是我國文化遺產的重要組成部分，不僅具有較高的歷史文化價值，其木結構力學性能對于我國建筑行業的發展也具有一定的參考價值。本文將從木材力學性能以及木架構整體受力性能兩個方面對近年來我國學者對古代木結構建筑的研究進展進行闡述。

[關鍵詞]中國古建筑；木結構；力學性能

文章編號：2095 - 4085（2018）07 - 0042 - 02

中國古建筑以結構性能優越、形式優美而著稱，是我國文化傳承的重要部分。隨著時間的不斷推移，對古建筑的保護受到了越來越多的關注。從上世紀30年代開始，我國學者對古代建筑的研究一直未曾停止，結構研究是其中的重要分支。本文總結了近些年來我國在古建筑木結構方面的研究進展，希望能夠為今后的研究奠定堅實的基礎。

1 中國古建筑的木材力學性能研究

我國以木材打造建筑的歷史可以追溯到石器和青銅器時代，經過長久的實踐探索，先人們總結出了一套完善的木結構營造技術體系。以木材為結構的建筑，木材自然是需要著重研究的一點。

1.1 環境因素造成的木材材性劣化

很多古建筑的木構件在千百年的歷程中，因蟲蛀、老化或是真菌腐朽等原因出現了不同程度的材性劣化現象，但其材性是如何變化的是一個值得深究的課題。我國學者在這方面的研究不在少數，如《古建筑木結構維護和加固規范》編制組的曹旗、王曉歡以及陳國營等通過對易昌陵碑樓、故宮武英殿、北岳廟大殿等多個古建筑木材的材性進行了對比分析，發現長期使用后的木材，是由于發生了物理作用和化學反應才會出現各項力學性能指標的降低，且木材種類對這一趨勢有著一定的影響。

此外，為了消除古建筑舊木材缺乏和新舊木材不一致對材性試驗結果的干擾，徐明剛等人探索出了接種腐朽菌加快木材腐朽的試驗方法，最終獲得了不同腐朽等級木材的物理力學性質及其衰減變化規律。

1.2 蠕變、荷載持續作用對木材造成的損傷累積研究

木材是一種黏彈性較強的材料，在荷載作用的長期影響下其變形程度會持續增加，且其強度也會隨著時間的推移不斷降低。在此過程中，外部溫度、濕度等環境因素則會加快這一趨勢的發展，造成木材的損傷累積。截止到目前為止，和上述內容有關的研究進展如下：利用彈簧和黏性元件組成的Max-well模型和Voigt模型是木材蠕變研究中應用較為普遍的力學理論模型，Madsion曲線為表征木材荷載持續作用的實驗曲線。此外，李瑜、王雪亮等人首先采用Gerhards累積損傷模型對木構件的剩余強度和壽命進行研究。而關于古建筑蠕變和荷載持續作用的研究仍舊處于空白狀態。

2 古建筑木構架受力性能的研究

通過對我國古建筑結構形式的總結歸納，可以將其分為抬梁式、密梁平頂式、井干式以及穿斗式四種。其中抬梁式的代表有宋朝的殿堂建筑，穿斗式結構的建筑廣泛分布于我國長江流域和東南、西南地區，井干式結構建筑多見于東北林區和西南山區。密梁平頂式結構建筑主要分布在青海、西藏等地區。

2.1 古建筑結構概念體系分析

我國陳志勇從工程力學的角度出發，對古建筑木結構中的“側腳”以及“生起”的結構作用進行了研究，發現側腳可以使柱架的闌額和普拍枋在豎直方向荷載下產生軸壓力，進而使梁柱節點相互緊密結合，獲得較強的抗彎性能。同時，在水平方向荷載的作用下，對柱架的傳力路徑進行了優化，極大的削減了柱架承受的不利內力。此外，側腳還能夠發揮出強化柱架抗傾覆性能的作用。而生起和側腳發揮的作用較為類似，一方面對柱架水平方向上荷載的傳力路徑進行了優化，降低了柱架側移及其引起的重力二階效應。另一方面則降低了柱架的傾覆力矩，提升了其抗傾覆性能。由此可見，側腳和生起在古建筑木結構中主要發揮著穩固的作用。

此外，張鵬程等、陳華等、古今元等從柱網布置、木構件柔韌性、重屋頂、側腳以及生起等方面切入，對古建筑的抗震體系進行了研究。吳玉敏等對金廂斗底槽殿堂式建筑進行了研究，重點分析了其“高位不倒翁”以及“柔頸”現象，將二者歸納為古建筑具備高強抗震性能的主要因素。

2.2結構動力特性

對古建筑而言，結構動力特性直接體現了其木結構的振型、頻率以及阻尼等特性，是木結構抵御動荷載性能研究過程中不可缺少的一項特性。如我國李鐵英、車愛蘭等利用環境振動試驗對應縣木塔在小振動水平下的頻率、振型以及阻尼等進行了測試。試驗表明古建筑木結構的自身頻率全部低于1.SHz，不會和地震發生共振，這說明古建筑具有良好的抗震性能。

3 結語

綜上所述，本文簡要闡述了近些年我國古建筑木結構受力性能以及木材力學性能方面的研究。對研究成果進行了總結，并指出了研究的薄弱點，希望能夠為后續研究提供一定的方向，促進我國古建筑的良好保護。

參考文獻：

[1]侯壽康，中國古建筑木結構加固及其性能之我見[J].低碳世界，2017，（34）：216 - 217.

[2]張風亮，中國古建筑木結構加固及其性能研究[D].西安：西安建筑科技大學，2013.

[3]周蓉.中國古建筑木結構構架力學性能與抗震研究[D].西安：長安大學，2010.