古建筑木结构残损构件的模型试验研究

◇聊城大学建筑工程学院 侯玉岭 赵庆双 孙丽月

现存古建筑的残损问题十分普遍，通过模型试验对古建筑残损进行研究分析已成为当今研究学者的主要研究思路。本文收集了针对古建筑木结构残损构件的主要模型试验，介绍在古建筑残损方面的研究进展，总结对试验结果产生影响的因素，并提出一些相关的看法和建议。其可为今后进行模型试验的研究人员提供参照，从而得出可靠的实验数据。

古建筑是中华民族的瑰宝，是我国古代工匠高超的建造技艺体现，是我国传统文化的具体体现，是研究我国历史的重要资料。我国的古建筑主要是木结构建筑，因木材具有独特的受力性能而流传至今，但是木材会因外界环境的影响受到微生物的腐朽作用，加上木材经过风吹雨打产生干缩湿胀作用，以及炮火战乱，地震以及现代化城市交通的多重激励作用，古建筑木结构受到不同程度的残损，木材内外产生霉变引起虫蛀、产生裂缝，榫卯节点连接出现松动，梁柱构件错位偏移，这些残损破坏了构件的完整性，降低了其强度，从而导致结构整体的受力性能发生改变，特别是当各种残损效应相互叠加时可能会达到结构极限承载力，严重的产生连续性倒塌，对古建筑造成不可估计的损失。

目前最有说服力的方法就是对残损的古建筑进行模型试验，当今研究人员针对古建筑的残损开展了大量的模型试验，同时取得了重大的研究成果。然而任何一个试验在开展之前都应进行全方位考虑，以期规避影响试验的因素，从而得到可靠精确的数据，进一步分析结构的应力应变。作为古建筑的守护者，我们有责任和义务运用试验剖析现存的古建筑，因此模型试验的研究对今后古建筑的保护工作提供技术支持有重大意义。

1 古建筑的残损构件

现存古建筑木结构均有不同程度的残损，当结构的构件出现残损时对整体结构的安全性能有很大的影响。在古建筑中残损主要出现在榫卯节点、斗、梁柱框架等部分，这些建筑部件都是建筑受力传力的关键构件，通过制作模型进行试验是一种可靠的研究手段，有助于我们研究木结构的抗震性能规律，随着科技手段的进步，试验条件得到极大改善，研究人员针对古建筑木结构构件的残损展开了一系列研究，并且得到了重要的结论。

1.1 古建筑的残损斗与榫卯节点

榫卯是我国古建筑木结构独特的连接形式，它种类繁多巧妙地将各构件联系成一个整体。斗是古建筑的重要节点，与梁柱构成一个整体，既可以承担上部荷载，同时斗的各榫卯节点又具有较强的半刚性连接特性，榫头和卯眼巧妙地咬合在一起相互支撑，可以承受一定的荷载，又可允许轻微变形，在振动时榫卯节点的相对位移可以消耗能量，减少整体结构的振动响应[1]。因此，节点是木结构建筑的重要组成部分，节点的残损可能会因其结构整体的倾斜甚至坍塌，了解节点的受力特性对古建筑的保护十分重要。

近年来研究学者进行了大量的研究。李义珠，曹双银，薛建阳[2]等研究了燕尾榫节点的松紧度对古建筑力学性能的影响，制作了5个燕尾榫节点模型，其中有4个为松动节点，分别进行了循环侧向加载试验，分析研究了松动度对燕尾榫节点应力分布、转动刚度与承载力的影响。谢启芳[3-4]对单向直榫和燕尾榫进行研究，通过制作缩尺比例模型，人工模拟残损状态，研究在低周反复加载试验下的破坏特征、弯矩转角滞回曲线、骨架曲线、刚度退化规律和耗能性能，得出榫卯节点无论残损与否，破坏过程中都会出现相似的现象，但是残损的榫卯节点破坏地更为严重；残损的节点滞回环面积越小、捏拢效应显著，同时转动弯矩明显低于完好节点，刚度逐渐下降；但是榫卯节点都具有较好的延性，在残损后仍可以很好地工作。陈凌坤[5]等研究了单向直榫节点的衰减损伤对木结构抗震性能的影响，通过人工模拟损伤的方法，综合考虑榫头损伤深度以及表面损伤的不同程度，制作了三种不同接头损伤和一种未损伤的接头模型，分别对其进行低周反复加载试验，然后分析接头边缘应变变化特征、滞回特性、刚度退化和耗能能力。陈九璋[6]根据应县木塔二层平坐层的典型柱头铺作制作了1:3.5的4个斗节点缩尺模型，通过人工钻孔处理的方法来削弱斗的受力截面，模拟斗的残损状态进行了竖向加载试验，得到了4组斗节点的荷载-位移曲线，明确了残损斗节点的受力和变形特征。结果显示无论斗是否残损，节点的破坏形态相似但残损斗破坏程度更严重，同时残损斗的极限荷载与抗压刚度均有下降趋势，且对抗压刚度的影响更为显著。谢启芳[7]根据独乐寺观音阁平座层叉柱造式斗制作了4个缩尺模型，采用人工方法模拟构件表面腐朽、虫蛀及裂缝等三类残损，进行了低周反复荷载试验，发现残损斗模型的破坏形态更为严重，且抵抗弯矩承载力和转动刚度都有所下降，但是残损斗节点的耗能能力提高，残损斗节点仍具有较好的变形能力和延性，建立了节点的残损度与其抗震性能退化之间的关系。

1.2 古建筑的残损梁柱

梁柱是古建筑的主要框架，梁将屋盖的荷载传递给柱子，最后由柱子传递给基础。但是木材会因自身的干缩湿胀作用或外力因素开裂，严重的出现贯通缝，这些裂缝一方面会影响框架的抗压强度和抗弯刚度，另一方面它又是蛀虫与微生物入侵木材内部的通道，木材会产生糟朽腐坏，削弱了构件的有效受力截面尺寸，降低了其受力能力，在竖向荷载作用下很容易产生过大变形或断裂问题[8]，因此梁柱的残损不容忽视。

现存古建筑木结构梁、柱等构件的残损问题已经十分普遍，针对梁柱的研究也取得了显著成果。陈孔阳[9]对4组带有不同深度纵向干缩裂缝的木梁进行了三分点加载试验，根据试验现象并结合有限元应力分析，推导出木梁由受弯破坏变为顺纹剪切破坏的裂缝临界指标，以及相应的极限承载力计算公式，并将推导所得承载力公式归纳简化成承载力下降系数曲线。谢启芳[10]采用局部去除腐朽木材的方法模拟木柱上的局部残损，对4根不同残损程度的矩形木柱进行了轴心受压试验。李胜才[11]制做了2种不同损伤工况的试件模型，进行水平低周往复加载试验，得到了不同损伤柱脚下木构架的破坏形态与滞回性能，得到柱脚的损伤会导致木构架的抗震性能下降。宋晓滨[12]进行了带纵缝木梁足尺试件弯曲加载试验，确定了纵缝长度和位于梁截面高度处的位置等参数对木梁承载力的影响。

由上述研究可以得出，梁柱的损伤会降低构件的有效截面面积，同时残损的存在会导致结构整体的抗震性能下降，且其结构抗震性能随着柱脚损伤程度增大而下降；裂缝的位置对构件也会产生一定的影响，位于截面中部的纵缝影响最大，相应的梁试件承载力出现大幅度下降；局部残损的木柱在轴心荷载作用下会出现偏心受压的情况，另外木柱残损的裂缝深度、长度也会导致构件极限承载力的下降。

2 影响模型试验结果的因素

虽然各研究学者已经对古建筑木结构在残损状态下进行了大量的模型试验研究，并且取得了重要的结论和成果，但由于木结构的力学性能复杂，构件与整体之间的联系充满不确定性，因此还有大量研究工作有待深入开展。

现研究阶段的模型试验所用木材大都为全新木材，然而古建筑的木构件大多经历了上百年的时间，二者的密度、含水率以及物理力学性能肯定会存在一定的差别，经试验研究发现，新旧木材顺纹抗压强度随含水率的变化规律一致，但是随着含水率的增大，顺纹抗压强度逐渐降低，且成线性关系，新木材的干缩率也相对较大[13]。选用做试验的木材的种类也会影响试验的结果。实验表明，木材的顺纹受压力学性能会因不同的密度出现不同的破坏形式，木材的顺纹抗压强度与密度之间存在良好的线性关系[14]。在制作试验模型完成后，大都采用人工钻孔或开裂缝的方法来模拟构件的残损。木构件在自然界中的腐朽随时间的增长，力学性能会明显地下降。另外就是如何解决模型试验的相似关系，这是开展模型试验首要考虑的问题，模型试验不同于原位试验，如果采用结构真实的尺寸会加大资源的消耗，对试验设备、材料的要求极高，模型试验对模型的相似要求有三个相似定理，可以用量纲分析法来确定相似条件，设计模型的比例、材料、荷载和边界条件[15]。因此，模型试件的比例也会影响实验结果。

3 结语

对于古建筑木结构构件的残损，当今研究人员开展了一系列的试验，同时取得了一些成果，然而由于时间因素，我们无法获取与古建筑同一时期的木材来开展模型试验，而且在模拟残损的过程中只是简单地钻孔、开裂缝、局部去除木材无法同木材在大自然中出现的残损状态相符合，在试验结果上难免会存在一定的误差。

针对上述影响因素，笔者认为在模型试验开展之前应合理确定缩尺比例，并根据结构的实际残损模拟试验试件的损伤。由于现阶段的人工模拟残损无法达到真实残损程度，必要时可以引入折减系数；对于木材的选用也应对研究对象深入考察，尽量使用与研究对象相同材质的木材，保证木材纤维一致，密度接近。今后的古建筑保护工作中应当对试验全方位考虑，规避或减少影响实验的因素，以便获取可靠的实验数据进行进一步研究。