木結(jié)構(gòu)古建筑的特性分析
中國(guó)的古建筑在我國(guó)擁有悠久的歷史，也是中華文明的重要組成部分。我國(guó)的古建筑數(shù)量眾多且蘊(yùn)含豐富的歷史文化信息。現(xiàn)在隨著國(guó)家對(duì)古文物、古建筑的重視程度越來(lái)越高。因此，我們需認(rèn)真研究古建筑木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性。從而使我們能夠更好的保護(hù)和修復(fù)木結(jié)構(gòu)古建筑。本文簡(jiǎn)單的從木結(jié)構(gòu)古建筑的材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。
一、木材料的特性分析
木材的優(yōu)點(diǎn)：
1、質(zhì)量輕并且堅(jiān)韌
木材是質(zhì)量輕耐壓能力強(qiáng)的材料，其密度金屬、水泥等小很多。鋼鐵的重量強(qiáng)度并沒(méi)有木材的大。
2、比較容易加工
木材相比于其他材料更易于加工，人們不必使用大型的加工設(shè)備就可以完成對(duì)木材的加工。
3、自然美
木材是大自然的產(chǎn)物，因而其具有一種鋼筋、水泥無(wú)法媲美的自然美。
木材的缺點(diǎn):
1、膨脹伸縮的較嚴(yán)重
木材受到周圍環(huán)境的濕度和溫度的影響較大。木材受到影響后會(huì)使其彎曲變形，從而影響古建筑的整體結(jié)構(gòu)。
2、容易被腐蝕
木材主要是由有機(jī)高分子化合物組成，其受到昆蟲(chóng)和真菌的腐蝕較嚴(yán)重。腐蝕是古建筑的破壞主要原因。
3、極容易燃燒
木材相比于其他材料燃點(diǎn)非常的低,一般在100～200攝氏度就開(kāi)始分解燃燒。
在古代并沒(méi)有像現(xiàn)代的鋼筋，水泥等材料。因而，木材成為了當(dāng)時(shí)的主要的建筑材料。木材的材料性質(zhì)不同于其他的材料，所以木材承受力的特性與其他材料承受力的特性有著本質(zhì)的區(qū)別。木材是由天然的有機(jī)高分子組成，主要成分中碳約占40%，氫約占6%，氧約占42.5%，其余的是0.5%以下的氮和1%以下的礦物質(zhì)成分。這種比例的有機(jī)高分子組合使其同時(shí)具有彈性和黏性兩種截然不同的機(jī)理的變形。如果木材長(zhǎng)時(shí)間停留在受力的情況下木材將會(huì)慢慢的變形，若所承受的力變小時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，木材的變形就不再增加了。當(dāng)木材所承受的力超過(guò)某個(gè)極限時(shí)，木材料的變形量將會(huì)和時(shí)間成正比，這種現(xiàn)象知道木材被壓斷是才結(jié)束。所以，我們需從木材料的彈性和黏性同時(shí)考慮來(lái)討論木材料的變形情況。
我國(guó)現(xiàn)存的木結(jié)構(gòu)古建筑已經(jīng)使用了幾百甚至上千年，由于同時(shí)受周圍環(huán)境和時(shí)間的影響，木結(jié)構(gòu)材料通常會(huì)發(fā)生腐蝕的情況，從而降低了木材料所能承受力的大小的性能，最終會(huì)使古建筑木結(jié)構(gòu)遭到破壞和承受力的強(qiáng)度減小。古建筑木結(jié)構(gòu)木材料的性能降低會(huì)直接影響到木材料的強(qiáng)度和木結(jié)構(gòu)的使用壽命。
為了弄明白木材料的材料特性和古建筑木結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系，我國(guó)著名的結(jié)構(gòu)科學(xué)家陳國(guó)瑩曾經(jīng)分別在1977年和1982年利用了我國(guó)古建筑維修時(shí)換下來(lái)的舊木材結(jié)構(gòu)進(jìn)行了木結(jié)構(gòu)的受力分析試驗(yàn)。試驗(yàn)中主要試驗(yàn)了橫紋和順紋的沖擊、拉彎、硬度和抗壓強(qiáng)度。從而得出了我國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)中的木材料不論年代其材料的變形情況基本上是相同的結(jié)論。造成我國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)構(gòu)件發(fā)生斷裂，彎曲變形等破壞的只要原因是橫紋抗壓強(qiáng)度衰減和抗拉強(qiáng)度的百分比增大。
在制訂《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范GB 50165 92，1992》時(shí)編制人員我國(guó)大部分地區(qū)的古建筑舊木構(gòu)件進(jìn)行了實(shí)際的考察。對(duì)柏木（河北易縣昌陵大牌樓，約200年）、落葉松（山西應(yīng)縣佛宮寺，約920年）和云杉（河北曲陽(yáng)縣北獄廟大殿，900余年）對(duì)這三種木材料進(jìn)行了新木材和舊木材的多項(xiàng)材料性能指標(biāo)的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在柏木的力學(xué)指標(biāo)中順紋抗壓強(qiáng)度和彈性模量降低約15% ，抗彎曲強(qiáng)度降低約30%。落葉松的順紋抗壓強(qiáng)度和彈性模量降低約20%，抗彎曲強(qiáng)度降低約13%。云杉木材的彈性模量降低約30%，順紋抗壓強(qiáng)度降低約為20%，抗彎曲強(qiáng)度降低了約為40%。
從以上的調(diào)查試驗(yàn)可以得出結(jié)論，由于木材材料不同，各木材的木材性能指標(biāo)也大不相同。目前我國(guó)還沒(méi)有充分的研究出各木材材料使用后的力學(xué)性能的變化規(guī)律。所以，我國(guó)今后的古建筑研究的重要內(nèi)容是對(duì)各木材材料性能變化的研究。
二、古建筑木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性
中國(guó)的古建筑是以木構(gòu)架為主，構(gòu)成了富有彈性的框架。這種木結(jié)構(gòu)的最早開(kāi)始于商、周時(shí)期，在漫長(zhǎng)的發(fā)展歲月中逐漸形成了以抬梁、穿斗、井干為主的三種不同的結(jié)構(gòu)方式。
1、抬梁式
抬梁式是指在立柱上架梁，又在梁上抬梁的結(jié)構(gòu)。其主要應(yīng)用于大型的建筑物，例如：宮殿、廟宇、寺院等。
2、穿斗式
穿斗式是指用穿枋把一排排的柱子穿起來(lái)成為排架，然后用枋連接而成，固稱之為穿斗式。其多應(yīng)用于民間和小的建筑物。
3、井干式
井干式是指用木材交叉堆積而成，其形狀像井故而得其名。這種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單因此應(yīng)用比較少。
木構(gòu)架結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)，首先，木結(jié)構(gòu)恰到好處的分開(kāi)了維護(hù)結(jié)構(gòu)與承重結(jié)構(gòu)，承重與圍護(hù)結(jié)構(gòu)分工明確，屋頂?shù)闹亓客耆赡緲?gòu)架結(jié)構(gòu)來(lái)承擔(dān)，外墻起遮擋陽(yáng)光、隔熱防寒的作用，內(nèi)墻起分割室內(nèi)空間的作用。由于墻壁不承受屋頂?shù)闹亓浚@種結(jié)構(gòu)賦予了建筑物以極大的靈活性。其次，有利于防震、抗震，木構(gòu)架結(jié)構(gòu)很類似今天的框架結(jié)構(gòu)，由于木材具有的特性，而構(gòu)架的結(jié)構(gòu)所用斗拱和卯又都有若干伸縮余地，因此在一定限度內(nèi)可減少由地震對(duì)這種構(gòu)架所引起的危害。
中國(guó)古代建筑的屋頂形式豐富多彩。早在漢代已有廡殿、囤頂、懸山、歇山、攢尖幾種基本形式，并有了重檐頂。以后又出現(xiàn)了拱券頂、十字坡頂、盂頂、勾連搭、單坡頂、穹窿頂?shù)仍S多形式。在古建筑中屋頂往往采用較大的出檐是為了更好的保護(hù)木構(gòu)架，。但出檐也有它的缺點(diǎn)，出檐有礙光線照射到屋內(nèi)，以及屋頂雨水流下出檐時(shí)極易沖毀臺(tái)基，人們?yōu)榱丝朔@一缺點(diǎn)采用了屋面舉拆、屋角起翹，或者是反曲屋面于是屋頂和屋角顯得更為活潑輕盈。
中國(guó)的古建筑從結(jié)構(gòu)的角度看來(lái)，與我們現(xiàn)代的“框架”結(jié)構(gòu)基本相似，兩者最大的不同就在于其節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造不同。其中斗拱當(dāng)屬于最復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)。斗拱在我國(guó)擁有兩千多年的歷史，其主要由一系列木構(gòu)件縱橫穿插、層層相接而成的。在較大或大型的建筑物中柱子和屋架之間的承接過(guò)渡部分主要應(yīng)用的就是斗拱。斗拱主要承受屋面和上梁梁架的負(fù)荷，并將負(fù)荷傳遞到柱子上去。在室內(nèi)使用斗拱時(shí)，其兩端挑出，有分散梁枋節(jié)點(diǎn)處剪力和縮短梁枋跨度的作用。當(dāng)斗拱應(yīng)用于屋檐下時(shí)，向外出翹，承挑上部屋檐，使出檐更加深遠(yuǎn)。
我國(guó)科學(xué)家對(duì)中國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)典型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了理論研究和試驗(yàn)，成功的采用試驗(yàn)的方法研究了中國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的性能，用人工老化的方法對(duì)不同類型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，來(lái)模擬自然退化條件下的節(jié)點(diǎn)性能。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)人工的不同損傷時(shí)，節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度明顯下降，因而，節(jié)點(diǎn)都為半剛性節(jié)點(diǎn)。采用三參數(shù)節(jié)點(diǎn)的模型很好的演示了該類半剛性節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角---彎矩關(guān)系，在非線性的分析中需要確定節(jié)點(diǎn)的切點(diǎn)剛度。通過(guò)此試驗(yàn)還對(duì)節(jié)點(diǎn)半剛性對(duì)木構(gòu)件的性能影響進(jìn)行了研究。
薛建陽(yáng)等人將柳連接與斗拱連接視為半剛性連接，將礎(chǔ)石與柱底之間的連接視為相對(duì)滑移層和鉸接，將變剛度彈簧系數(shù)引入其中，通過(guò)對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)的動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行分析，從而得到了，在地震時(shí)各結(jié)構(gòu)的受力情況。
我國(guó)著名科學(xué)家車愛(ài)蘭采用了有限元數(shù)值計(jì)算和理論的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法，對(duì)應(yīng)縣的古塔的木結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震響應(yīng)和受力特性的分析與研究。
近代學(xué)者在收集歷史文物資料和實(shí)物調(diào)查的過(guò)程中，對(duì)其進(jìn)行了一些探討行的研究。研究中國(guó)古建筑的初級(jí)教材《清式營(yíng)造則例》是由梁思成在1934年編撰而成。新中國(guó)成立以后，陳明達(dá)全面研究了宋朝的木材材料的性能。中科院自然科學(xué)史研究所對(duì)古建筑的歷史發(fā)展的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)。在以前研究人員對(duì)古建筑的節(jié)點(diǎn)和木構(gòu)斗拱的特性的了解十分的局限。
