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摘要：研究了中國古建筑木結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)，認(rèn)識到中國古代木結(jié)構(gòu)的基本單元為矩形，構(gòu)件之間的連接為榫卯連接．利用簡單的結(jié)構(gòu)模型，對中國古代木結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、在單個(gè)構(gòu)件失效時(shí)的非敏感性以及良好的抗震性能做出初步論證．

關(guān)鍵詞：中國古代木結(jié)構(gòu)；構(gòu)架；基本單元；連接；穩(wěn)定性

0引言

中國的木結(jié)構(gòu)制作已有數(shù)千年歷史，別具特色構(gòu)造精妙、結(jié)實(shí)牢靠，是中國的國粹［1－2］．相鄰的構(gòu)件之間用榫卯連接，結(jié)構(gòu)的基本的單元是矩形，這兩點(diǎn)是中國古代木結(jié)構(gòu)，特別是中國古建筑的木制框架結(jié)構(gòu)（見圖1和圖2）的基本特點(diǎn)．中國的木結(jié)構(gòu)不僅在構(gòu)件間的連接方式不同于源于西方的桁架結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的基本單元也不同于桁架結(jié)構(gòu)．我們知道，桁架結(jié)構(gòu)的基本單元是三角形，如圖3所示．桁架結(jié)構(gòu)的基本單元之所以是三角形，是根據(jù)古希臘人所認(rèn)識到的一個(gè)幾何學(xué)原理：三個(gè)邊長分別是確定的三角形，其形狀是確定的．因此，以三角形為結(jié)構(gòu)單元的桁架結(jié)構(gòu)的每一桿件都位于確定位置，這就是說以三角形為結(jié)構(gòu)單元的桁架結(jié)構(gòu)具有幾何學(xué)的穩(wěn)定性［3－4］．中國古代木結(jié)構(gòu)保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的原理不同于西方的桁架結(jié)構(gòu)，但是，中國古建筑不僅完全能夠承受常規(guī)載荷（根據(jù)使用需要確定的載荷），即使是在非常規(guī)載荷（來自非使用需要本身的突然作用的強(qiáng)載荷，例如地震）作用下也可以保持結(jié)構(gòu)的原有狀態(tài)［2，5］．實(shí)踐表明，中國古代木結(jié)構(gòu)從力學(xué)角度上講具有穩(wěn)定性．中國古代木結(jié)構(gòu)保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的原理以及中國古代木結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面所具有的特點(diǎn)是值得探討的問題［5－6］．

1中國古建筑構(gòu)架的形式及連接方式

中國古建筑多為木制框架結(jié)構(gòu)的建筑，其結(jié)構(gòu)可分為抬梁式及穿斗式兩種主要形式，如圖1和圖2所示．抬梁式結(jié)構(gòu)的建筑成熟于春秋時(shí)期，穿斗式結(jié)構(gòu)的建筑成熟于漢代．抬梁式結(jié)構(gòu)是以柱上架梁，梁上安裝短柱，短柱上再架短一些的梁的方式組成．抬梁式結(jié)構(gòu)的建筑，其室內(nèi)少支柱或者無支柱，從而可使室內(nèi)空間開闊，但是建造抬梁式結(jié)構(gòu)的建筑需要用較大的木材、耗材量也較大.大型的和重要的中國古建筑（宮殿、廟宇等）幾乎都采用抬梁式結(jié)構(gòu)建造，抬梁式結(jié)構(gòu)在北方比較流行．穿斗式結(jié)構(gòu)的柱子比較密，而柱徑略小，不設(shè)承力的梁，來自屋頂?shù)妮d荷，直接作用于柱上，整體框架用“穿”貫于柱間形成．穿斗式結(jié)構(gòu)的建筑減小了大木材的耗用，但是室內(nèi)柱子密集，對房屋內(nèi)格局的安排有一定妨礙．穿斗式的結(jié)構(gòu)多見圖3一種桁架結(jié)構(gòu)于南方民宅．抬梁式、穿斗式這2種木結(jié)構(gòu)均采用榫卯連接，如圖4所示．木制結(jié)構(gòu)中采用榫卯，在中國具有久遠(yuǎn)的歷史，可以追溯到新石器時(shí)代，在距今約70000年的河姆渡文化遺址，人們發(fā)現(xiàn)了大量有榫卯結(jié)構(gòu)的木制構(gòu)件（見圖5）．抬梁式、穿斗式這2種中國傳統(tǒng)建筑的主要結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了中國古代木結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)［1－2］．可以觀察出，中國古代木結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)是：基本單元為矩形，主要的連接為榫卯．

2中國古代木結(jié)構(gòu)保持形狀穩(wěn)定的力學(xué)原理

圖6（a）展示的是一個(gè)由若干相互平行的短桿與兩個(gè)相互平行的長桿用直榫卯連接起來的基本單元為矩形的木制結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是最簡單的以矩形為單元用榫卯連接的木制結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以比較明顯地體現(xiàn)以矩形為單元用榫卯連接的木制結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性．在圖6（a）所展示的結(jié)構(gòu)中，假若任意一個(gè)矩形單元的形狀由矩形改變?yōu)榉蔷匦蔚钠叫兴倪呅危鶕?jù)平行四邊形的對邊必然相互平行的幾何性質(zhì)，各個(gè)矩形單元的形狀都會發(fā)生變化，成為其它形狀的平行四邊形如圖6（b）所示，而每一單元形狀的變化必定會造成短桿兩端連接部位的榫以及短桿的基體（假若短桿較細(xì)）發(fā)生彎曲變形．由于各個(gè)短桿的基體及其上的榫都發(fā)生彎曲變形，于是會形成很大的使結(jié)構(gòu)單元恢復(fù)為矩形的恢復(fù)力，所以對于以矩形為單元用榫卯連接的木制結(jié)構(gòu)，其原有的各個(gè)基本單元為矩形的狀態(tài)是一種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)．根據(jù)對圖6所示的力學(xué)模型的討論，可以看出，中國古建結(jié)構(gòu)其使結(jié)構(gòu)保持固有位置的原理不是使結(jié)構(gòu)不動，在理論上，其整體上可以微動，但是整體的固有位置是穩(wěn)定的平衡位置，所以，從力學(xué)原理講中國古代木結(jié)構(gòu)是一種形狀穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)．這種穩(wěn)定性決定了中國古代木結(jié)構(gòu)對單個(gè)構(gòu)件的失效具有非敏感性，并且具有良好的抗震性．

3中國古代木結(jié)構(gòu)對單個(gè)構(gòu)件失效的非敏感性

對于圖6所示的力學(xué)模型，假若有一短桿因斷裂而失去作用，僅僅是減少了結(jié)構(gòu)的一個(gè)矩形，整個(gè)結(jié)構(gòu)仍然是用榫卯連接的基本單元為矩形的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的外輪廓也仍然保持原有形狀如圖7所示．任意一個(gè)矩形單元的形狀由矩形改變?yōu)槠渌螤畹钠叫兴倪呅?，也會使各個(gè)矩形單元的形狀都變?yōu)槠渌螤畹钠叫兴倪呅?，各個(gè)短桿的基體及其上的榫也會發(fā)生變形，所以，仍然會形成很大的使結(jié)構(gòu)單元恢復(fù)為矩形的恢復(fù)力．這一失效短桿所應(yīng)承受的載荷被其余的保持效用的短桿平均承擔(dān)．這說明，中國古代木結(jié)構(gòu)對于除了基干部件（例如大梁）以外的單個(gè)構(gòu)件的失效具有非敏感的特性．這一特性使得很多中國傳統(tǒng)建筑在很多構(gòu)件脫落、斷裂的情況下，仍然可以保持建筑的原有框架結(jié)構(gòu)，并且具有足夠程度的承載能力，對中國古建筑維修時(shí)，例如在對應(yīng)縣木塔以及北京故宮的多處殿宇進(jìn)行維修時(shí)，人們都發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)［7－8］．這一特性是現(xiàn)代的桁架結(jié)構(gòu)所不能企及的［5］，我們知道，桁架結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型是由鉸鏈聯(lián)接的直桿所構(gòu)成的二力桿系統(tǒng)．在經(jīng)常的情況下桁架結(jié)構(gòu)只要一桿失效，桁架結(jié)構(gòu)就會因?yàn)槭Х€(wěn)而迅速失效［3－4］．例如，對于圖5所示的這種被普遍采用的桁架結(jié)構(gòu)，若其內(nèi)部的一個(gè)腹桿失效，則所示的桁架結(jié)構(gòu)成為內(nèi)部自由度為1的四桿機(jī)構(gòu)，若其中的一個(gè)弦桿失效，整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)就成為內(nèi)部自由度為1的二桿機(jī)構(gòu)，這種內(nèi)部自由度大于零的可動的結(jié)構(gòu)對荷載沒有抵抗能力，在荷載的作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生相互運(yùn)動，使得整個(gè)結(jié)構(gòu)迅速失穩(wěn)破壞［9］．在西方建筑的工程史上，不乏因?yàn)橐粋€(gè)構(gòu)件的破壞或者失穩(wěn)而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)破壞的例證.

4中國古代木結(jié)構(gòu)的抗震性

地震波存在沿豎直方向傳播振動的縱波以及沿水平方向傳播振動的橫波這兩種獨(dú)立的行波．因?yàn)榻ㄖ锔菀自谒椒较虻恼駝酉缕茐模韵鄳?yīng)所作的研究也比較多［10－11］．我們也針對沿水平方向傳播振動的橫波，用簡單模型（見圖8）討論中國古代木結(jié)構(gòu)的抗震性．對于圖8所示的力學(xué)模型，存在水平地震波時(shí)，在上半周期（見圖8（a）），假設(shè)力學(xué)模型的左側(cè)下方A點(diǎn)受到地震水平波向右的作用，右側(cè)上方C點(diǎn)受到由障礙物所產(chǎn)生的向左方的作用力，于是力學(xué)模型向左方傾斜，基本單元及整體都成為向左方傾斜的平行四邊形；在下半周期（見圖8（b）），假設(shè)力學(xué)模型的右側(cè)下方D點(diǎn)受到地震水平波向左的作用，左側(cè)上方B點(diǎn)受到由障礙物所產(chǎn)生的向右方作用力，于是力學(xué)模型向右方傾斜，基本單元及整體都成為向右方傾斜的平行四邊形．當(dāng)模型在隨同地震波作阻尼強(qiáng)迫振動時(shí)，阻尼的來源是榫與卯之間的摩擦，以及短桿的內(nèi)摩擦．這兩種摩擦可以消耗傳遞給結(jié)構(gòu)的能量，地震波所造成的結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能相應(yīng)減小，于是減小了結(jié)構(gòu)破壞的可能性．對于一個(gè)實(shí)際的木構(gòu)建筑，其框架結(jié)構(gòu)有大量構(gòu)件，并且各個(gè)構(gòu)件之間都是用榫卯連接的，因此，通過榫與卯之間的摩擦，以及短桿的內(nèi)摩擦所耗散的能量是很大的，這會大量削減由地震所造成的在結(jié)構(gòu)內(nèi)所儲藏的應(yīng)變能，于是在相當(dāng)大的程度上，減小了古建的框架結(jié)構(gòu)在地震時(shí)破壞的可能性，地震往往破壞了古建的墻體，但是由于框架抗震性很強(qiáng)，仍然保持完好，所以對古建經(jīng)常有“墻倒屋不塌”之說．有關(guān)文獻(xiàn)研究表明：古建筑木結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，同時(shí)，古建筑木結(jié)構(gòu)良好的減震、隔震措施為現(xiàn)今解決結(jié)構(gòu)隔震、控震問題提供了一條合理的途徑［5－6］.

5結(jié)語

中國傳統(tǒng)建筑的框架結(jié)構(gòu)，由于其材質(zhì)是木材，基本單元為矩形，連接為榫卯，這既使得結(jié)構(gòu)的整體可以微動，又使得結(jié)構(gòu)整體的固有位置是穩(wěn)定平衡的，所以，中國古代木結(jié)構(gòu)在力學(xué)上是一種穩(wěn)定的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)對單個(gè)構(gòu)件的失效具有非敏感性以及良好的抗震性．中國古建筑的框架結(jié)構(gòu)具有獨(dú)到的優(yōu)異性能．

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作者：劉大為 單位：蘭州文理學(xué)院