會善寺大殿斗拱足尺試件豎向加載試驗研究

劉應(yīng)揚 張 楓 童麗萍 王文華

（1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州450001；2.鄭州市世界文化遺產(chǎn)管理中心，鄭州450045）

0 引 言

斗拱是我國古建筑特有的一種構(gòu)件，位于立柱和橫梁交接處，從柱頂一層層探出成弓形的承重構(gòu)件叫拱，拱與拱之間墊的方形木塊叫斗。拱架在斗上，向外挑出，拱端之上再安斗，這樣逐層縱橫交錯疊加，形成上大下小的托架［1-2］。

會善寺大雄寶殿是世界文化遺產(chǎn)“天地之中”歷史建筑群建筑之一，位于河南省登封市，是全國重點文物保護單位。會善寺大殿始建于元代，距今已有700 多年歷史，為同時期最大的古建筑之一［3］。然而，由于自然風(fēng)化和人為因素的破壞，現(xiàn)存斗拱出現(xiàn)不同程度的損壞。

會善寺大殿檐下斗拱主要有三大類:柱間斗拱（16朵）、柱頭斗拱（12朵）、轉(zhuǎn)角斗拱（4朵）。柱間斗拱位于梁架與普柏枋闌額之間，由梁架傳導(dǎo)屋面荷載，具有承上啟下的作用，本文以柱間斗拱為研究對象制作足尺模型進行豎向加載試驗以探究其在豎向荷載作用下的變形能力和傳力機理，分析斗拱的受力薄弱部位，剖析斗拱的所蘊含的科學(xué)內(nèi)涵，為會善寺斗拱的維修加固提供參考依據(jù)。斗拱的構(gòu)造見圖1，具體尺寸如表1。

圖1 會善寺大殿柱間斗拱外立面詳解圖Fig.1 Front view photos of Dougong of Huishan Temple

表1 柱間斗拱各部分尺寸Table 1 The size of each segment of Dougong mm

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

斗拱模型試件用材為國產(chǎn)硬木松。根據(jù)會善寺斗拱的現(xiàn)場調(diào)研和查閱相關(guān)資料［4］，本文制作柱間斗拱足尺模型2 個（SP01，SP02）。試件放置在實驗室表面光滑的鋼梁上，在枋與螞蚱頭交匯處鋪設(shè)90 mm 厚的鋼板，上部荷載通過鋼板傳至斗拱，再傳至實驗室地面，見圖2。

圖2 試驗整體圖Fig.2 Overall test

1.2 測點布置

斗拱的整體豎向變形通過放置在螞蚱頭首尾處的2 個頂針式位移計測定；斗拱的局部變形由布置在頭昂、二昂首尾部的6 個位移計測定。同時，在泥道拱、外拽瓜拱、首尾令拱沿拱底部順紋方向布置8 個應(yīng)變片，以測定構(gòu)件的內(nèi)力。應(yīng)變片、位移計布置位置分別見圖3（a）、（b）。

圖3 測點布置Fig.3 Measuring point layout

1.3 加載方案

試驗在河南工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)實驗室進行。試驗采用500 kN 標(biāo)準(zhǔn)電液伺服加載機對試件進行豎向單調(diào)加載，加載過程采用位移控制。正式加載前，先進性預(yù)壓以便良好接觸；試驗加載速率為2 mm/min，直至斗拱破壞。斗拱試件出現(xiàn)明顯嚴(yán)重破壞，整體位移值過大，變形與力曲線的斜率明顯降低［5-6］，視為試件已經(jīng)破壞。

1.4 試驗現(xiàn)象

正式加載初期，隨著荷載的增大，各構(gòu)件間咬合力加強，有頻繁“吱吱”聲，在8 mm（70 kN）加載過程中泥道拱、華拱與底部櫨斗交匯處，沿著櫨斗耳底部形成微裂縫見圖4（a），四角裂縫發(fā)展情況大致相似。隨著加載位移增大，在12 mm（137 kN）加載過程中，櫨斗耳處的裂縫斜向由上到下發(fā)展，不斷延伸見圖4（b），泥道拱與頭昂形成水平裂縫，由開槽處向外延伸見圖4（c），上部慢拱于枋交匯處開始形成微裂縫。外拽瓜拱兩端有微微向上翹起的現(xiàn)象，這是由于集中力作用形成的局部彎矩，對瓜子拱中軸線下部形成拉應(yīng)力，上部形成壓應(yīng)力，造成兩端微微翹起的現(xiàn)象。其余部位表現(xiàn)沒有破壞的跡象。

在24 mm（305 kN）加載過程中，試件發(fā)出頻繁的劈裂聲，有水平微裂縫出現(xiàn)在櫨斗欹平處，泥道拱與頭昂的交匯處有水平裂縫出現(xiàn)，并逐漸增大，見圖4（d）。上部二昂與令拱交匯處的散斗，出現(xiàn)斜向的微裂縫，都是從平身處向底部延伸，見圖4（e），令拱與螞蚱頭交匯處有水平裂縫出現(xiàn)，并逐漸發(fā)展延伸，見圖4（f）。

圖4 斗拱試驗照片F(xiàn)ig.4 Experiment photos of Dougong

34 mm（361 kN）加載過程中，二昂尾部開始形成縱向開展的裂縫，泥道拱處裂縫增大，櫨斗一耳處形成明顯的斜向下的通縫，劈裂聲低頻高聲的出現(xiàn)，這是由于各層水平縫逐漸發(fā)展形成通縫發(fā)出的聲音。

40 mm（379 kN）加載過程中，二昂與頭昂均有向上翹起的現(xiàn)象，這是由于中部開槽造成交匯處的有效承載面較少，在隨著中部集中力增加形成的彎矩不平衡，形成不均勻的壓縮。慢拱兩側(cè)所枕散斗的耳底處有水平微裂縫出現(xiàn)，并且逐漸開展。慢拱與螞蚱頭交匯處破壞較為嚴(yán)重。42 mm（382 kN）加載過程中，大部分裂縫增大形成通縫，試驗終止。

卸載初期，翹起的部件均有恢復(fù)的趨勢；卸載至6 kN 左右時，試件咬合處有啪啪聲響；卸載后期，啪啪聲更為明顯。整個試件的破壞形態(tài)表現(xiàn)出構(gòu)件剪切和承壓破壞。

2 試驗結(jié)果及其分析

2.1 荷載-位移曲線

基于試驗數(shù)據(jù)，繪制各斗拱的荷載—位移（F-U）曲線，見圖5。加載初期，試件中的縫隙被擠緊，曲線的剛度較低。縫隙壓實之后，曲線表現(xiàn)出彈性階段的剛度，約為11.45 kN/mm。加載至28 mm 時，構(gòu)件發(fā)生屈服。圖5 中可以看出曲線呈鋸齒狀增長，這是由于構(gòu)件開裂產(chǎn)生的振動導(dǎo)致的。在整個加載過程中，荷載位移曲線近似成三個階段上升，每段的剛度不一致。在櫨斗與相交的頭昂、泥道拱形成明顯的破壞時，試件達到其極限狀態(tài)，承載力和位移分別為:SP01，384 kN，47.7 mm；SP02，382 kN，42.2 mm。

卸載初期，荷載下降較快，斗拱變形恢復(fù)不明顯；卸載結(jié)束時，試驗的殘余變形SP01 為23.4 mm、SP02 為19.3 mm。殘余變形包括木材的塑性變形以及擠壓后未恢復(fù)的縫隙。

2.2 分層變形

斗拱頭昂、二昂、螞蚱頭的各層時程變形曲線見圖6，負值代表構(gòu)件豎向撓曲，正值表示構(gòu)件向上翹曲。

從圖6 可以看出，各層最大變形量依次為頭昂、二昂和螞蚱頭，說明距加載點越遠，變形越明顯。其中，螞蚱頭的位移為正值，出現(xiàn)了翹起的現(xiàn)象。頭昂、二昂主要表現(xiàn)出承壓撓曲。各層的殘余變形依次為頭昂、二昂和螞蚱頭，說明頭昂、二昂的塑性變形程度大于螞蚱頭的塑性變形，進一步說明上部構(gòu)件承擔(dān)內(nèi)力較少。

圖5 F-u曲線Fig.5 Load-deformation curves for Dougong

圖6 分層位移變形曲線Fig.6 Layer displacement deformation curves

為了研究斗拱各層的首尾變形情況，繪制首尾變形曲線如圖7 所示。從斗拱的各部件來說，頭昂、二昂的頭部壓縮變形總是大于尾部變形，螞蚱頭頭部微微翹起。這是因為斗拱的頭部有限承壓面較尾部少，造成了下層頭部壓縮變形大于尾部變形，上部頭部呈壓縮，尾部微微翹起的現(xiàn)象。

2.3 荷載-應(yīng)變曲線

道拱、瓜子拱、首尾兩令拱的應(yīng)變情況如圖8所示。

從圖8 中可以看出，隨著荷載的增大，各構(gòu)件應(yīng)變依次為泥道拱、外拽瓜拱、令拱，說明櫨斗、頭昂、泥道拱構(gòu)件分擔(dān)的豎向荷載最大；越往上，構(gòu)件內(nèi)部受內(nèi)力越小。這與試驗現(xiàn)象中，上層構(gòu)件相對完好而下層構(gòu)件破壞嚴(yán)重的情況，保持了一致。對于斗拱來說，泥道拱的應(yīng)變讀數(shù)為正（受拉），瓜子拱、令拱應(yīng)變讀數(shù)為負（受壓）。泥道拱的拉應(yīng)變最大，也反映了下層內(nèi)力大，出現(xiàn)了翹曲。

2.4 豎向剛度計算模型

根據(jù)本文得到斗拱荷載位移曲線（圖5），將斗拱豎向承載的力學(xué)模型簡化為三折線的形式，如圖9 所示。其中OA 段為初始滑移，剛度較小；AB 段為構(gòu)件頂緊后的傳力階段，剛度較大，可以理解為斗拱的線性階段剛度；BC段為斗拱屈服至破壞的階段，由于各構(gòu)件的開裂和塑性變形，斗拱受到了損傷，剛度出現(xiàn)了下降。該曲線與文獻［7-9］獲得的斗拱剛度曲線特征相似。結(jié)合試驗結(jié)果，本文擬合的三階段剛度如表2所示。

圖7 分層構(gòu)件首尾變形曲線Fig.7 Curve of the first and the end of layered members

圖8 荷載-應(yīng)變曲線Fig.8 Load-strain curves

通過對表4 中數(shù)據(jù)取平均值，求得kOA=5.652 kN/mm，kAB=11.495 kN/mm，kBC=6.079 kN/mm。

3 結(jié) 論

通過對會善寺大殿柱間斗豎向荷載試驗，獲得以下結(jié)論:

（1）斗拱在豎向荷載作用下的薄弱部位為櫨斗與頭昂、泥道拱的交匯處，主要的破壞模式為:櫨斗耳部受拉劈裂，櫨斗底部受壓產(chǎn)生裂縫、頭昂產(chǎn)生水平裂縫、瓜子拱局部壓裂、令拱局部壓裂。

圖9 會善寺大殿斗拱豎向剛度計算模型Fig.9 Caculation model of the vertical stiffness of Dougong

表2 試驗斗拱豎向抗壓剛度值Table 2 Vertical compression stiffness values of the Dougong kN/mm

（2）豎向荷載作用下，距加載點越遠，變形越明顯，各層最大變形量依次為頭昂、二昂和螞蚱頭。

（3）豎向荷載作用下，會善寺大雄寶殿斗拱的豎向剛度計算模型可簡化為三折線形式。本文歸納的剛度值可供后續(xù)會善寺研究參考。