木結構古建筑的特性分析

中國的古建筑在我國擁有悠久的歷史，也是中華文明的重要組成部分。我國的古建筑數(shù)量眾多且蘊含豐富的歷史文化信息。現(xiàn)在隨著國家對古文物、古建筑的重視程度越來越高。因此，我們需認真研究古建筑木結構的結構特性。從而使我們能夠更好的保護和修復木結構古建筑。本文簡單的從木結構古建筑的材料和結構進行了簡單的分析。

　　一、木材料的特性分析
　　木材的優(yōu)點：
　　1、質量輕并且堅韌
　　木材是質量輕耐壓能力強的材料，其密度金屬、水泥等小很多。鋼鐵的重量強度并沒有木材的大。
　　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備就可以完成對木材的加工。
　　3、自然美
　　木材是大自然的產(chǎn)物，因而其具有一種鋼筋、水泥無法媲美的自然美。
　　木材的缺點:
　　1、膨脹伸縮的較嚴重
　　木材受到周圍環(huán)境的濕度和溫度的影響較大。木材受到影響后會使其彎曲變形，從而影響古建筑的整體結構。
　　2、容易被腐蝕
　　木材主要是由有機高分子化合物組成，其受到昆蟲和真菌的腐蝕較嚴重。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非常的低,一般在100～200攝氏度就開始分解燃燒。
　　在古代并沒有像現(xiàn)代的鋼筋，水泥等材料。因而，木材成為了當時的主要的建筑材料。木材的材料性質不同于其他的材料，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的區(qū)別。木材是由天然的有機高分子組成，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%以下的礦物質成分。這種比例的有機高分子組合使其同時具有彈性和黏性兩種截然不同的機理的變形。如果木材長時間停留在受力的情況下木材將會慢慢的變形，若所承受的力變小時，經(jīng)過一段時間后，木材的變形就不再增加了。當木材所承受的力超過某個極限時，木材料的變形量將會和時間成正比，這種現(xiàn)象知道木材被壓斷是才結束。所以，我們需從木材料的彈性和黏性同時考慮來討論木材料的變形情況。
　　我國現(xiàn)存的木結構古建筑已經(jīng)使用了幾百甚至上千年，由于同時受周圍環(huán)境和時間的影響，木結構材料通常會發(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，最終會使古建筑木結構遭到破壞和承受力的強度減小。古建筑木結構木材料的性能降低會直接影響到木材料的強度和木結構的使用壽命。
　　為了弄明白木材料的材料特性和古建筑木結構變形的關系，我國著名的結構科學家陳國瑩曾經(jīng)分別在1977年和1982年利用了我國古建筑維修時換下來的舊木材結構進行了木結構的受力分析試驗。試驗中主要試驗了橫紋和順紋的沖擊、拉彎、硬度和抗壓強度。從而得出了我國古建筑木結構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論。造成我國古建筑木結構構件發(fā)生斷裂，彎曲變形等破壞的只要原因是橫紋抗壓強度衰減和抗拉強度的百分比增大。
　　在制訂《古建筑木結構維護與加固技術規(guī)范GB 50165 92，1992》時編制人員我國大部分地區(qū)的古建筑舊木構件進行了實際的考察。對柏木（河北易縣昌陵大牌樓，約200年）、落葉松（山西應縣佛宮寺，約920年）和云杉（河北曲陽縣北獄廟大殿，900余年）對這三種木材料進行了新木材和舊木材的多項材料性能指標的對比試驗。試驗結果顯示，在柏木的力學指標中順紋抗壓強度和彈性模量降低約15% ，抗彎曲強度降低約30%。落葉松的順紋抗壓強度和彈性模量降低約20%，抗彎曲強度降低約13%。云杉木材的彈性模量降低約30%，順紋抗壓強度降低約為20%，抗彎曲強度降低了約為40%。
　　從以上的調查試驗可以得出結論，由于木材材料不同，各木材的木材性能指標也大不相同。目前我國還沒有充分的研究出各木材材料使用后的力學性能的變化規(guī)律。所以，我國今后的古建筑研究的重要內容是對各木材材料性能變化的研究。
　　二、古建筑木結構的結構特性
　　中國的古建筑是以木構架為主，構成了富有彈性的框架。這種木結構的最早開始于商、周時期，在漫長的發(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構方式。
　　1、抬梁式
　　抬梁式是指在立柱上架梁，又在梁上抬梁的結構。其主要應用于大型的建筑物，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成為排架，然后用枋連接而成，固稱之為穿斗式。其多應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。這種結構比較簡單因此應用比較少。
　　木構架結構有很多優(yōu)點，首先，木結構恰到好處的分開了維護結構與承重結構，承重與圍護結構分工明確，屋頂?shù)闹亓客耆赡緲嫾芙Y構來承擔，外墻起遮擋陽光、隔熱防寒的作用，內墻起分割室內空間的作用。由于墻壁不承受屋頂?shù)闹亓浚@種結構賦予了建筑物以極大的靈活性。其次，有利于防震、抗震，木構架結構很類似今天的框架結構，由于木材具有的特性，而構架的結構所用斗拱和卯又都有若干伸縮余地，因此在一定限度內可減少由地震對這種構架所引起的危害。
　　中國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木構架，。但出檐也有它的缺點，出檐有礙光線照射到屋內，以及屋頂雨水流下出檐時極易沖毀臺基，人們?yōu)榱丝朔@一缺點采用了屋面舉拆、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。
　　中國的古建筑從結構的角度看來，與我們現(xiàn)代的“框架”結構基本相似，兩者最大的不同就在于其節(jié)點的構造不同。其中斗拱當屬于最復雜的節(jié)點。斗拱在我國擁有兩千多年的歷史，其主要由一系列木構件縱橫穿插、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渡部分主要應用的就是斗拱。斗拱主要承受屋面和上梁梁架的負荷，并將負荷傳遞到柱子上去。在室內使用斗拱時，其兩端挑出，有分散梁枋節(jié)點處剪力和縮短梁枋跨度的作用。當斗拱應用于屋檐下時，向外出翹，承挑上部屋檐，使出檐更加深遠。
　　我國科學家對中國古建筑木結構典型的節(jié)點進行了理論研究和試驗，成功的采用試驗的方法研究了中國古建筑木結構節(jié)點的性能，用人工老化的方法對不同類型的節(jié)點進行試驗，來模擬自然退化條件下的節(jié)點性能。試驗結果顯示，當節(jié)點經(jīng)過人工的不同損傷時，節(jié)點的抗彎剛度明顯下降，因而，節(jié)點都為半剛性節(jié)點。采用三參數(shù)節(jié)點的模型很好的演示了該類半剛性節(jié)點的轉角---彎矩關系，在非線性的分析中需要確定節(jié)點的切點剛度。通過此試驗還對節(jié)點半剛性對木構件的性能影響進行了研究。
　　薛建陽等人將柳連接與斗拱連接視為半剛性連接，將礎石與柱底之間的連接視為相對滑移層和鉸接，將變剛度彈簧系數(shù)引入其中，通過對古建筑木結構的動力過程進行分析，從而得到了，在地震時各結構的受力情況。
　　我國著名科學家車愛蘭采用了有限元數(shù)值計算和理論的現(xiàn)場測試相結合的方法，對應縣的古塔的木結構進行了地震響應和受力特性的分析與研究。
　　近代學者在收集歷史文物資料和實物調查的過程中，對其進行了一些探討行的研究。研究中國古建筑的初級教材《清式營造則例》是由梁思成在1934年編撰而成。新中國成立以后，陳明達全面研究了宋朝的木材材料的性能。中科院自然科學史研究所對古建筑的歷史發(fā)展的研究成果進行了系統(tǒng)的總結。在以前研究人員對古建筑的節(jié)點和木構斗拱的特性的了解十分的局限。