中国木结构古建筑抗震性能研究综述

前言

我国是一个地震区广为分布的国家，20世纪以来几次大的地震灾害给人民的生命和财产造成了十分严重的损失。分析历次的破坏性地震，可以发现多层砖混房屋遭到破坏的程度普遍比较严重，而我国木结构古建筑都保存较好。木结构古建筑主要是以木构架为主的结构体系，该体系用木材作为主体建筑材料，以柱、梁为承重骨架，用其他材料作为围护物，并且根据不同地域、不同气候特征、不同的地质特点采取不同的木构架结构形式，从而形成了柔性的框架体系以抵抗地震造成的破坏。这种结构体系使得我国传统的木构架结构体系的建筑达到在经历一场场大的地震灾害后，主体结构仍保持原来的形态而没有遭到严重破坏的效果。

1国内外研究现状

中国建筑史中国文化的一个典型的组成部分，它一如整个中国文化一样，始终连续相继，完整和统一的发展[1]。对于近现代使用西方传来的自然科学研究者来说，往往因为缺乏对它的历史沉淀，文化传承过程的深入了解，加之语言文字等障碍，对于古建筑有关结构受力方面的科学研究一直以来较难展开，长期以来存在的问题是关于“建筑的”方面研究较丰富而关于结构方面研究较少[2]。

随着近代社会发展陆续出现了一些对古建作法，结构受力的文章和著作发表出版，如1992年出版的《古代大木作静力初探》中，力学工作者王天系统地研究了中国古代大木作结构的静力受力特征，其中逐一地计算了主要结构构件的受力情况。1993年，喻维国、王鲁明编著出版的《中国木构建筑营造技术》中，简略地介绍了古代木构建筑的做法。1997年出版的《中国古建筑木作营造技术》（作者马炳坚），以明清古建筑为蓝本较为详细地介绍了古建木结构的作法及工艺要求。

在此基础之上对于古建筑抗震能力的研究开始逐步深入，国内开始了大规模的对于中国古建筑机制展开了深入的研究，尤其是其抗震能力的研究。统计结果显示，古代木结构建筑虽然在中、低烈度的地震作用下具有易损坏性，但大多表现为屋面部件、山墙或维护墙的破坏，震害相对较轻，即使在9度以上的强震作用下，其主体结构能保持不倒毁[2]，这一特点引起了广泛研究。

国外建筑结构学术界也很重视对古建筑的研究和保护，许多西方学者很早就注意到中国古建筑宽大低矮的结构分层等措施具有抗震意图，日韩等国也拥有不少的中式木结构古建筑，而且日本作为一个地震多发的国家，对于建筑结构抗震方法的研究历来重视。很多学者对古建木结构良好的抗震性能展开了研究和讨论。同时日本很重视对古建筑结构机理的研究，随着现在隔震、抗震、消震、控震理论的发展，建筑结构方向的学者开始从很多新的角度去理解中式木结机理。

2 研究方向

2.1中国古建筑的材料及其结构研究

梁思成先生在其《中国建筑史》中对中国木结构古建筑作了如下概括总结如下：

（1）以木材为主材，构成构架，承担荷载；

（2）构架多以“梁柱式”。

在台基上筑础，定平之后，立四根柱，上施梁枋（前后横木为枋，左右为梁）构成一间，梁上叠梁，逐级升高构成举架，举架向上支撑横向桁（檩），桁上架椽，椽上钉木望板，再覆以瓦茸。在横梁和立柱层之间的过渡处，施横材方木相互垒叠，前后伸出作“斗拱”。四柱成一间，通常一座建筑物均由若干间组成[3]。

中国传统的木结构，具有框架的种种优越性。作为建筑材料，木材和泥土具有富于韧性，加工灵活，组合方便等特征。在抗震方面，主要依靠木结构。学者程建军认为，木材是一种质轻，建筑性能好的建筑材料，它具有一定柔性，在外力作用下比较容易变形，但在一定程度内又有恢复变形的能力。传统木构架建筑的各个构件之间一般采用榫卯连接。榫卯连接具有很好的弹性和较好的抵消水平推力的作用，呈典型的半刚性连接特征。榫头和卯孔间因摩擦滑移而具耗能作用，这是木构架古建筑具有较好抗震性能的一个重要原因[4]。

2.2中国古建筑结构动力特性的实验研究

中国木结构古建筑的动力学模型根据木结构古建筑的结构特点，其隔振效应通常由基础、榫卯节点和铺作层这三个层面组成，主要依靠其彼此之间的摩擦滑移和变形来减轻地震对上部结构体系的破坏。对于每个隔振层面主要依靠其间的“柔性”来实现减小结构的振动。建立其在地震作用下的动力模型和力学模型。

木结构古建筑结构体在地震动的激励下其频率可能是多阶的。可假设结构体系的初始频率为ω1 ，变化后的频率为ωi =ξω1 （ξ = 0. 5 ～ 0. 6） ，同时假定木结构古建筑体系的阻尼c1 保持不变，从而求解出各个层面的动力放大系数[5]。

3 进展情况

20世纪80年代以来，有太原理工大学李世温教授领导的课题组，对位于山西应县境内的佛宫寺释迦塔的结构静、动力特征进行了全面系统地理论分析和实验研究，根据应县木塔层间模型拟动力试验结果，得到了木塔实体结构四线型非线性恢复力模型；分析计算了在选择的地震波作用下相应层的最大位移及不同损坏状态下各层的耗能；提出古建筑木结构的双参数地震损坏准则，初步划分了震害等级及标定参数 [6]。

西安交通大学俞茂宏教授领导的课题组，先后对西安市一系列古建筑的结构与抗震性能开展了研究，为了了解西安北城门箭楼的抗震性能，制作了箭楼缩尺比1：10的为中三跨局部木结构模型和缩尺比为1：30的有机玻璃模型，研究结果表明：①两种模型所测的频率误差在20%左右，二阶振型节点位置相近。但振型值有一些误差。②有限元计算和有机玻璃模型测试结果反映出的一阶频率基本一致，二阶频率偏小[7]。

同济大学土木工程防灾国家重点实验室以二层轻型木结构的足尺模型为研究对象，在2004 年和2005 年分别进行振动台试验。2004 年主要研究不同门洞尺寸和不同激振程度下结构的动力特性[8] ，2005 年主要研究不规则结构的动力特性和地震响应，以及扭转对结构动力响应的影响[9] 。

Kasal [10～11]等人以二层木结构房屋为研究对象，应用三维模型，成功地进行地震动模拟试验，测定该非线性结构在地震动荷载下的单向振动响应、双向无规则振动响应和在基频下的自由振动响应，获得了有关节点连接特性的数据。该三维模型是通过小型振动台试验开发和校验的。

4 存在问题

总体来说，木结构的优势在于它的韧性大，自身结构轻，又有很强的弹性回复性，对于瞬间冲击荷载和周期性疲劳破坏有很强的抵抗能力，所以在地震中吸收的地震力小，结构在基础发生位移时可由自身的弹性复位而不至于发生倒塌[12]。

但在建筑结构范围内，木结构虽然起源早，但实际的应用范围较小，在中国普遍存在于农村边远不发达地区。农村地区的木结构民居施工粗陋，整体性差，抗震性能远不如其他三种结构类型，抵抗不了地震波的冲击，易于受震倒塌。

人们长期重视于钢筋混凝土结构、钢结构、砌体结构的设计施工和抗震加固，而忽视农村落后地区抗震性能较差的木结构，由于农村经济相对落后，这部分建筑不可能完全拆迁，而且随着木结构在全球范围的推广使用，其数量和比例将会因抗震加固技术的进步而逐渐增大。研究其抗震理论和加固措施已是十分迫切和必要的.

参考文献

[1] 张鹏程，赵鸿铁.中国古代建筑抗震[M]，北京：地震出版社，2007

[2] 苗春生，赵慧杰.关于中国古建筑抗震性能的分析[A]，济源职业技术学院学报，2009，8（2）

[3] 苏军，高大峰.中国木结构古建筑抗震性能的研究[A]， 西北地震学报，2008，30（3）

[4] 罗靓，刘本玉，牛钲昊.木结构建筑的结构体系及其抗震性能研究[A]，工业建筑，2010，40.

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