大理丽江穿斗式木构架构造特点及房屋震害简述★

叶 阳，杨健强，明小娜，王 杰，刘绍昌

(云南省地震局,云南 昆明 650224)

0 引言

云南省共有五种主要的木结构尚在新建与使用,分别是穿斗式木结构、抬梁式木结构、井干式木结构、平顶式木结构和干栏式木结构,其中穿斗式木结构数量最多、分布最广,在丽江、大理、怒江、迪庆、楚雄、普洱、德宏、昭通、曲靖、临沧、红河、保山等地均有使用,根据区域、民俗、传统的不同,不同区域的穿斗式木结构构造特点又有所不同。不少学者对云南省木结构的抗震能力、震害分析等进行了研究,甘惊天[1]总结了剑川穿斗式木结构构造技术特征,论证了其建筑构造技术的科学性;金昱成[2]提出一种经济性较好、实施便利性较高的木结构钢材增强加固阻尼器;聂雅雯[3]推导出云南穿斗式木结构各类节点的M-θ关系理论计算公式,并通过对特征点的定义和计算得出节点的M-θ关系理论简化四折线模型,从而进一步得出节点恢复力模型;高永林[4]对传统木结构建筑典型榫卯节点:台阶透榫、梁下有枋台阶透榫、半榫以及燕尾节点模型开展了基于木材摩擦机理和嵌压特性的试验、数值模拟以及理论研究;孙俊[5]利用了 Yamada-Sun强度准则,分析了榫根处材料达到强度极限时的榫头受力情况。王丹[6]研究了摩擦因素对于木结构节点区耗能的影响;孟萍等[7]针对当前普通家庭经济情况,在不增加或只增加少量投资的情况下,提出加强木结构房屋抗震措施的几点建议,以提高村镇木结构房屋的抗震性能;陆伟东等[8]对我国西南、西北地震高烈度地区的木结构形式进行分析,并对木结构建筑的主要震害进行了总结;何玲等[9]针对云南圣母结构提出简便易行的加固手段提高村镇木结构房屋的抗震能力。

大理、丽江两地均属于地震易发区,并且两地穿斗式木结构的木构架榫卯组合、结构形式均有差异,在丽江7.0级地震、景谷6.6级地震及漾濞6.4级地震中,可看到不少墙体倒塌,木构架外露的穿斗式木结构,此时木构架就是房屋最后一道防线,研究木构架的构造形式及往年震害对于研究穿斗式木结构抗震性能尤为重要。

1 大理、丽江木构架的构造特点

在大理、丽江地区,一栋独立的穿斗式木结构建筑一般是呈“四榀三开间”的布局形式,由四榀木构架分割出三个开间(见图1),这四榀木构架又有不同的组合形式,一般有中间架和山架之分,山架与山墙相连,中间架则为内分割墙的框架。丽江地区多采取山架与中间架不同的建造方式,大理地区部分采取山架与中间架相同的建造方式,另一部分则是山架与中间架不同。由于气候干燥,为更好的防范火灾,居民一般会将与墙体毗邻的木构件包裹进墙体内(见图2)。

1.1 大理穿斗式木结构木框架构造特点

目前大理地区常见穿斗式木结构的山架主要有三种形式,第一种是前后京柱不落地的形式;第二种是在京柱不落地的基础上加站柱的形式;第三种是采取京柱落地的形式(见图3)。

京柱不落地的山架总共有三根落地柱(左右檐柱、中柱),其中京柱不落地,京柱立于大插之上,前京插与后京插为两个独立构件,通过穿插的方式连接前京柱、中柱、后京柱,同理前大插与后大插也为两根独立构件,通过从左右两侧穿插的方式连接前檐柱、中柱、后檐柱,并托起前京柱与后京柱,前承重与后承重同理;三根穿坊则是通长一根,京穿坊穿过前京柱、中柱和后京柱,其余两根穿过前后檐柱和中柱。榫卯节点构造详见表1。

表1 大理丽江山架节点

加站柱的山架主体和京柱不落地的山架形式相同,区别则是在前京柱的正下方会设置一根站柱,站柱加在承重之上,大插之下,上下端做骑马榫叉骑在承重上,架于穿坊下(见图4(a)),部分山架会在承重下的穿坊部也加一根站柱撑于地面。

还有一种京柱落地的山架,这种山架目前在大理地区新建的穿斗式木结构中使用较少,主要是因为木构件原材料获取难度加大,因此第三种山架形式现存较少。

大理地区部分穿斗式木结构民居会选择中间架与山架不同的修建方式,中间架修建方式较多,少数会继续保留中柱,多数为了使自身内部空间灵活使用,会选择中柱不落地甚至取消中柱的做法,并以驼墩代替京柱,驼墩花样繁多,可以根据自身需求选择造型,以中间插暗梢的方式来连接上下构件(见图4(b),图5)。

1.2 丽江穿斗式木结构木框架构造特点

丽江地区穿斗式木结构山架共有四根落地柱,三架梁、二架梁和大叉均是独立整体,在各个柱子上部开槽,自上而下整体往下安装(见图6(a),图7),加以上京柱、前京柱和后京柱固定连接,将所有单独的构件拉结在一起,榫卯结构详见表1。

丽江地区穿斗式木结构形式相对统一,均为山架与中间架不同的建造形式,中间架取消中柱(见图6(b)),以驼墩代替京柱,京柱与前后檐柱之间分别作为房间和走廊使用。

1.3 节点构造

大理、丽江地区目前新建乡镇穿斗式木结构民宅多以实用为主,因此简化了许多纷繁复杂的榫卯结构连接形式,最主要使用的榫卯结构有四种(见表1):1)燕尾榫,又名大透榫,榫头上宽下窄,具有良好的连接性;2)直榫,通长等宽;3)二蹬榫,与中原地区的银锭报肩榫类似,不同的是榫肩处会做一个收分;4)箍头榫,自上而下的卡入柱头开槽处。另外骑马榫及暗梢多见于中间架站柱和驼墩的拼装(见图8)。

2 常见震害形式

2.1 屋顶的震害

两地穿斗式木构架的屋顶均采用“两椽支一”的形式修建,两根椽子之间铺设一片瓦片,瓦片为云南本地小青瓦,瓦片与瓦片之间采用石灰连接,石灰里常掺秸秆、稻草等。一般需要3 a～5 a更换一次,否则黏结强度会下降,但是现实中鲜有住户会主动翻修,因此梭瓦掉瓦为最常见的震害现象。

2.2 墙体的震害

穿斗式木构架房屋的墙体只起围护作用不起承重作用,两地的外围护墙多采用土坯墙、夯土墙和砖墙的形式,由于墙体与木构架在地震中会相互作用[10],且老旧建筑的围护墙往往采取纵墙与横墙单独修建的形式,纵横墙连接不紧密,导致墙体的受损率也相对较高。地震发生后,在烈度较低的地区,常见的震害形式有:1)墙体开裂(见图8(a));2)墙角处的受损(见图8(b));3)墙体与木构架脱开(见图8(c));4)山尖墙受损(见图8(d))。在高烈度地区,常见的墙体震害形式主要表现为墙体的坍塌,当地震力方向偏向于山墙时易导致山墙坍塌(见图8(e)),当地震力方向偏向于后墙时易导致后墙坍塌(见图8(f)),在极震区,墙体可能会出现全部坍塌,仅木构架挺立的情况(见图8(g))。

2.3 木构架的震害

木构架作为穿斗式木结构的主要承重构件,也是地震中的最后一道防线。地震过后,烈度较低的地区常见的木构架震害现象为榫卯节点出现拔榫现象,多出现于檩条、纵向穿坊(见图9(a)),在高烈度地区,木构架可能出现的震害有:1)木构件的损坏(见图9(b));2)木框架的歪斜(见图9(c))。若节点和构件损坏严重,则会导致木框架局部坍塌甚至毁坏(见图9(d))。

3 结论

本文通过大量实地调研,通过调研结果,归纳了大理、丽江地区目前常见的穿斗式木结构民居的建筑构造特点,并通过丽江7.0级地震、漾濞6.4级地震、洱源5.5级地震等往年地震资料,总结云南地区穿斗式木结构的震害特点,得出以下结论:

1)相对于现代建筑中“强节点弱构件”的设计方式,木结构则是处于一种“弱节点,强构件”的形式,木框架的震害往往先出现于节点处,木构件的折断、开裂,也多源自于卯口截面开洞的削弱处。

2)在低烈度区,主要出现的是非承重构件的损坏,例如梭瓦掉瓦现象以及围护墙的损坏(墙角受损、山墙、后墙的损坏),在檩条与檩条的连接部位和纵向穿坊与柱的连接部位易出现拔榫现象,可能会导致部分木檩条和椽子的掉落。在高烈度区,穿斗式木结构的围护墙可能会局部坍塌或是全部坍塌,仅剩木框架支撑,此时木结构的承载力取决于榫卯节点的强度,若榫卯节点丧失承载力,则会导致木结构的局部坍塌甚至整体倒塌。

3)为加强穿斗式木结构抗震性能,建议推广琉璃瓦和树脂瓦的使用,漾濞6.4级地震和双柏5.1级地震中,使用琉璃瓦的屋顶近乎完好;加强外围护墙纵墙与横墙的连接强度,建议使用带钢筋混凝土圈梁及构造柱的砖墙作为外围护墙,并加强墙体与柱子之间的拉结(如在木构架节点处与墙体进行铁件加固,在墙体上打孔,穿过钢绞线等柔性铁件材料将二者绑扎在一起),防止二者在地震中相互作用加剧损坏。注重对木构件的加固和维护,避免因使用年限的增加使构件强度下降过大。

4)从云南历年穿斗式木结构震害资料来看,穿斗式木结构较难满足现行抗震设防要求,对于“小震不坏、中震可修、大震不倒”的理念还难以满足。由于木结构使用年限较长,在未来一段时间内,将会有大量的穿斗式木结构随着使用年限的增长,导致其构件强度的降低,应注重对此类建筑的维护和加固[11-13]。