


版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認領(lǐng)
文檔簡介
1、v1.0可編輯可修改東南大學(xué)學(xué)報 ( 副刊 ) ISSN:1001-0505/CN:32-1178/N,期數(shù): 2013 年第 4 期 頁碼:849-855 欄目 : 土木工程古建筑榫卯聯(lián)接結(jié)構(gòu)的力學(xué)合理性分析與優(yōu)化及相應(yīng)推廣設(shè)計王云飛於恒 花逸揚林雨豪孫延超摘要簡要分析了抬梁式建筑的等應(yīng)力設(shè)計原理,分析了部分重要構(gòu)件及重要節(jié)點,并對相應(yīng)節(jié)點設(shè)計提出了改進意見。關(guān)鍵詞:古建筑榫卯力學(xué)分析榫卯結(jié)構(gòu)的受力特性榫卯結(jié)構(gòu),是通過卯口與榫頭的結(jié)合,以達到一種橫向或縱向傳力的結(jié)構(gòu),節(jié)點處往往比較薄弱,榫卯結(jié)合處一般不能承受較大的彎矩。榫卯連接節(jié)點屬于半剛性節(jié)點, 在榫頭拔出的過程, 結(jié)構(gòu)構(gòu)件會產(chǎn)生很大的變
2、形和相對位移,可以使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進行重新分配。由于制作誤差及木材本身特有的彈性,榫卯難以完成嚴格意義上緊密結(jié)合,在結(jié)構(gòu)的初始受力階段, 連接節(jié)點更近似于鉸接。 隨著節(jié)點變形增加, 節(jié)點剛度亦隨之增加。由于卯口對榫頭有一定握裹力, 在地震作用下,榫頭與卯口會形成摩擦滑移,從而消耗一部分能量,可以有效減小上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),減震效果明顯。單位換算宋尺一尺約為現(xiàn)在國際單位制的 32cm,宋斤一斤接近于,為方便研究,本文將長度、質(zhì)量單位統(tǒng)一換算為現(xiàn)行單位。本文的幾點假定(1)裂縫、木節(jié)等缺陷嚴重影響節(jié)點與構(gòu)件受力性能,較小的荷載便會導(dǎo)致裂縫擴展與加深,在裂縫或木節(jié)處突然斷裂,發(fā)生脆性破壞,非常危險。由于
3、本文主要進行理論計算分析,故對此不予討論, 計算時,假定所有構(gòu)件1v1.0可編輯可修改使用之木材紋理皆為順絲且無任何瑕疵。(2)古建筑為了抗震需要,常常會使木柱上端向內(nèi)收斂,謂之側(cè)腳。實驗證明,地震作用時,側(cè)腳作用明顯。以殿堂為例,一般殿堂外圍木柱,面闊方向側(cè)腳 1%,進深方向側(cè)腳 %,因傾斜角極小,對本文演算之影響可忽略不計,故假定建筑柱身皆為豎直。(3)因為柱腳以管腳榫與石礎(chǔ)相連,柱腳之間連以地栿,且榫卯聯(lián)接不能提供過大的彎矩,故假定柱腳與基礎(chǔ)鉸接。 由于柱端受相連的斗栱、 木枋等約束,故假定柱端受側(cè)向支撐,但豎直方向自由。(4)因為榫卯聯(lián)接近似于鉸接,結(jié)構(gòu)之間允許較大的相對轉(zhuǎn)角,因此結(jié)構(gòu)
4、體系對地基沉降并不敏感, 是以假定微量的基礎(chǔ)沉降不會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的附加應(yīng)力。(5)考慮到木材瞬時持荷的能力高于長久持荷的能力,計算時不考慮木材的塑性開展, 即自中和軸到構(gòu)件邊緣, 應(yīng)力成線性分布, 且構(gòu)件邊緣應(yīng)力不高于構(gòu)件相應(yīng)的抗拉、抗壓強度為安全。古建筑的兩種典型結(jié)構(gòu)形式( 1)抬梁式一般斗栱密布,又稱大式建筑。柱身不直接承受檁端荷載, 屋面荷載經(jīng)由脊柱傳到小跨度的兩椽栿,再由短柱傳到大跨度的四椽,六椽,乃至于八椽栿,層層傳遞,最后以柱首上承梁端。優(yōu)點是,采光好,柱網(wǎng)稀疏,內(nèi)部寬敞,大氣恢弘。缺點是,梁柱用料粗,造價高,山向抗側(cè)剛度不如穿斗式。屬于官式建筑,一般多見于江北。(2)穿斗式無斗
5、栱,又稱小氏建筑。柱身細長,柱端直接上承檁條,柱間聯(lián)系梁上不承重,只起聯(lián)系作用。優(yōu)點是,梁柱用料細,造價低,山向抗側(cè)剛度大。缺點是,柱網(wǎng)密,采光差。2v1.0可編輯可修改因為柱間空間狹小, 影響使用,一般鮮有嚴格意義上的穿斗式建筑, 多使用小跨度的承重梁,形成一種混合結(jié)構(gòu),以滿足使用需求。本文將討論的幾種古代建筑形式(1)殿??缍却?,柱層、鋪作層分界明顯,柱等長。(2)堂。跨度較殿小,用材較殿亦小,柱層、鋪作層分界不明顯,柱不等長。面闊、進深、柱高的取值(1)各椽平長。在營造法式四、五兩卷中,嚴格規(guī)定了大木作各個部分、各種構(gòu)件的份數(shù),但對于房屋的基本尺度如間廣、椽架平長、柱高、出檐等卻缺少明確
6、的材份規(guī)定。營造法式中寫到, “凡用椽之制,每架平不過六尺,若殿閣或加五寸至一尺五寸?!苯?jīng)考究,發(fā)現(xiàn)此處的六尺標準當是三等材的殿或六等材的堂標準。用六等材之堂,高6 寸,厚 4 寸,每份 4 分,六尺折合 150 份。用三等材之殿,高寸,厚 5 寸,每份 5 分,六尺加一尺五寸為七尺五寸,折合亦為 150 份。調(diào)查發(fā)現(xiàn),華嚴寺,奉國寺等古建,每椽平長皆在150 份左右,是以本文取150 份為椽平長。殿,檐椽加飛子,五跳八鋪作,外挑150 份加 90 份加 54 份,共 294 份。堂,檐椽加飛子,三跳六鋪作,外挑90 加 75 加 45,共 210 份。進深十椽,總計 1500 份。本文殿用三
7、等材,堂用六等材。(2)間闊。殿取十椽七間,堂亦取十椽七間。單拱長 76 份,重拱長 96 份,殿堂一般都用重拱,即每拱寬96 份。3v1.0可編輯可修改營造法式記載,“補間鋪作一朵間廣一丈。 補間鋪作兩朵間廣一丈五尺。其間廣或不勻,每補間鋪作一朵不得過一尺”經(jīng)考量,此處所謂一丈及一丈五尺,亦是以六等才論之。六等才每份 4 分,一尺為 25 份,一丈為 250 份,一丈五尺為 375 份,加上兩個柱頭斗栱, 則每個斗栱平均占據(jù) 125 份,且每個斗栱所占面闊, 變化范圍不得超過 25 份。由此算得,單補間間闊為200300 份,雙補間間闊 300450 份。參考營造法式諸多圖紙,以為每個斗栱占
8、寬 125 份較為合適,即單補間間闊取 250 份,雙補間間闊取 375 份。因為雙補間與單補間用材高厚相同, 是以只需驗算雙補間殿堂或廳堂即可。(3)柱高。營造法式中有,柱高不過間廣,故雙補間取柱高375 份。荷載取值及木材強度取值(1)風(fēng)荷載。建筑山墻雖非承重結(jié)構(gòu),但圍擋密實,形成剪力墻結(jié)構(gòu),抗側(cè)剛度較大,故本文不討論風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的影響。(2)屋面永久荷載。根據(jù)相關(guān)資料,殿堂取筒瓦最高標準,廳堂取瓪瓦最高標準,經(jīng)單位換算,近似取屋面荷載c 分別為 4000kN/,2800kN/。屋脊重量較大,分開考慮,調(diào)查表明,脊槫所負荷載約為上金槫的倍。(3)屋面總荷載。因大式建筑多在江北地區(qū),取北京基
9、本雪壓為,雙坡屋面不利布置系數(shù),等于規(guī)范中所規(guī)定最小屋面活荷載。雖然雪荷載應(yīng)按水平投影面積計算,而屋面荷載為斜平面荷載, 但由于北京地區(qū)積雪時間較長, 且未考慮風(fēng)荷載及積灰荷載的影響,為計算簡便, 取殿堂屋面總荷載 c=4500 kN/,廳堂 c=3300 kN/。4v1.0可編輯可修改(4)荷載強度取值。古時棟梁,多用杉木,本文用以計算之木種亦用杉木。 順紋抗壓強度取 39Mpa, 順紋抗拉強度取 78Mpa,橫紋切斷強度取 18Mpa,彈性模量 E 約為 10Gpa,密度約為 400kg/ , 順紋徑面抗剪強度 6Mpa,取 5Mpa,弦面抗剪強度 ,取 5Mpa。力學(xué)合理性分析(1)用料
10、合理性分析。古建筑中,主要受彎構(gòu)建為槫與梁, 為了施工方便及美觀, 梁截面多取矩形。直徑為 d 的原木,截成矩形,已知矩形截面抵抗矩W=b /6 ,+=。求導(dǎo)易得 b=/3d 時, W最大。此時 b/h=1/,W6415,S=。古建筑中,以15 份高為材高,10 份為材厚,即取b/h=2/3, 此時可得,S=比較可得,營造法式所謂之材,截面抵抗矩較之最優(yōu)截面小約 %,截面面積較最優(yōu)截面小約 %。清代用斗口制,拱寬一斗口,高斗口,高寬比 7:5 ,更接近于 1: ,但所差不大。一材高寬比為 3:2 ,較之 :1 ,顯然更易于計算 , 也更利于技術(shù)人員指揮現(xiàn)場施工。(2)檁、柱的等應(yīng)力設(shè)計。檁材等
11、為 z。均布荷載的受彎構(gòu)件,跨中彎矩最大,M=q /8 。圓截面模量 W=/32 。=M/W。其中 L、d,都與材等 z 成正比關(guān)系。5v1.0可編輯可修改z 增大,椽長增加,面荷載c 不變,每根梁負荷的寬度增大,q 隨之正比增大。可得不論材等如何變化,跨中位置彎曲應(yīng)力皆相等。柱柱主要承重,截面面積S=/4 。木材順紋抗壓強度一定, 隨著 z 增大,d 與 z 成一次正比關(guān)系,所以 S 與成一次正比關(guān)系。建筑進深與面寬皆與 z 成一次正比關(guān)系,隨著 z 增大,屋面面荷載 c 不變,總荷載與 成一次正比關(guān)系。不難得出,立柱承載能力與屋面荷載成一次正比關(guān)系, 設(shè)計時只需改變材等z,即可保證建筑的安
12、全可靠。梁。以受力最大,最危險的八椽栿為例。設(shè)梁長 L,距離兩端 L/8 處各作用有集中荷載P。不難得出,跨中彎矩M=PL/8。P 與屋面荷載成一次正比關(guān)系,由之前結(jié)論, P 與成一次正比關(guān)系, 梁長 L與 z 成一次正比關(guān)系。矩形截面的截面抵抗矩為b/6 ,與一次線性正相關(guān)。矩形面積 bh 與成一次正比關(guān)系, 杉木橫紋剪斷強度不變, 梁中最大剪力 P與成一次正比關(guān)系,滿足等應(yīng)力設(shè)計原理。分析結(jié)果補充說明。以上討論過程中, 用到的截面抵抗矩公式皆為各項同性材料所推得,故驗證最大跨中彎矩 M的過程中,應(yīng)當以順紋抗壓強度為應(yīng)力上限。若不滿足,因為本文所取的順紋抗拉強度為順紋抗壓強度的兩倍,經(jīng)演算,
13、矩形截面極限彎矩可提高三分之一,其后才進入塑性階段。6v1.0可編輯可修改(3)舉高及各椽斜長。營造法式記載,殿堂取前后撩檐枋中為三份,舉其一份,廳堂取前后撩檐枋中為四份,舉其一份,此外每尺多舉八分。取撩檐枋和脊檁的連線與水平線間的夾角為,則殿堂舉折=(1/3)2=2/3 。廳堂舉折=( 1/4 )2+8%/(1/2)=66%經(jīng)計算,殿堂與廳堂舉折相差極微,統(tǒng)一取=2/3 。取椽長 150 份,則總舉高為 500 份。脊椽舉高為 1502/3+500/10=150 份。同理,以下各椽舉高分別為,(500-150 ) /4+500/20= 份 ,/3+500/份 ,份,= 份。檐椽殿堂舉高約為份
14、廳堂舉高約為150=份殿堂自脊椽往下,各椽斜長分別為:,。廳堂自脊椽往下,各椽斜長分別:, ,。月梁梁高大于直梁, 且略成拱形, 受力較直梁更為合理, 故不作為最危險構(gòu)件考慮。廳堂八架通檐用二柱, 較之八架乳栿對六椽栿用三柱, 最長栿彎矩剪力更大更易破壞。殿堂承受彎矩剪力最大構(gòu)件為八椽栿, 與廳堂相同,同時斗栱的昂伸到下平槫之下,形成撬桿作用, 借以防止出檐部分傾覆。 此外進深方向與檐柱相連的梁枋,亦提供一定拉力,以確保力矩平衡。計算下平槫所負荷載時,不考慮檐椽加于其上的壓力。下平槫受荷總和最小。(4)各檁所承荷載。7v1.0可編輯可修改殿堂雙補間間廣 375 份,每份五分,換算成現(xiàn)行單位為6
15、m。上平槫,( +3)/。中上平槫,。中下平槫,。下平槫,。檐槫,。脊槫,。廳堂雙補間間廣 375 份,每份 4 分,換算成現(xiàn)行單位為。上平槫,( +)/。中上平槫,。中下平槫,。下平槫,。檐槫,。脊槫,。(5)檁條彎矩、剪力的核算。用檁之法,檐檁,脊檁徑26 份,余者徑 22 份。均布荷載作用下,跨中彎矩M=q /8 ,圓截面模量W=/32 ,截面面積S=/4 。殿內(nèi)或堂內(nèi)各檁條,計算長度L 均相同,而大小檁徑之比的三次方。顯而易見,殿,取檐檁核算, 堂,取脊檁驗算。檁承重時,檁端下有替木,替木總寬96 份,半側(cè)寬度 48 份,集中荷載作用點距離柱心約 40 份,即檁條計算長度為375-80
16、=295 份,殿為,堂為。殿檐檁, M=(6)/·m。8v1.0可編輯可修改M/。完整截面的檐檁,一端可承受剪力2446kN,遠大于檁上荷載。安全。堂脊檁,·m。M/。安全因脊檁截面較大,剪力可不驗算??紤]到邊檁出際 75 份,跨中彎矩接近于允許最大彎矩。(6)脊瓜柱與叉手。叉手高 21 份,厚 7 份,二等材能承受壓力1468kN,承載能力遠大于脊槫荷載。若不用脊瓜柱,則叉手受壓,三架梁變?yōu)閱渭兪芾瓨?gòu)件,安全系數(shù)極大。三架梁高 36 份,寬 24 份,跨度 300 份。若不用叉手,只用脊瓜柱,則三架梁跨中受到集中荷載,變?yōu)槭軓潣?gòu)件,跨高比約為 :1 ,安全系數(shù)下降。瓜柱的
17、添加,完全是為了審美需求,做榫時,榫頭兩肩可以多截去一些,使瓜柱少受力或不受力。(7)八椽栿所負上部木構(gòu)架自重。殿堂椽徑取 9 份約,廳堂椽徑取8 份約,椽中距為 18 份??紤]到各椽的打截取方,殿堂椽截面面積取,廳堂椽截面面積取 。面闊方向間闊總截面面積分別為,八椽栿負載之椽總長分別為,重分別為,。兩椽栿高 30份,寬 20份,殿堂重,廳堂重。四椽栿高 45份,寬 30份,殿堂重,廳堂重。六椽栿高 60份,寬 40份,殿堂重,廳堂重。9v1.0可編輯可修改(8)八椽栿。殿堂八椽栿距離兩端150 份處,集中荷載為380kN,梁長。梁高 60 份,寬 40 份,折合為高 96cm,寬 64cm。
18、I=b/12=最大彎矩 M=PL/8=912KN· m。W=M/。安全。由于截面較大,抗剪承載力勿須驗算。廳堂八椽栿距離兩端150 份處,集中荷載為179kN,梁長。梁高 60 份,寬 40 份,折合為高,寬。最大彎矩 M=PL/8=344KN· m。W=M/。安全。由于截面較大,抗剪承載力勿須驗算。(9)柱。殿堂三等材,柱徑42 份,為,柱頭卷殺之后直徑32 份,為,高 375 份,折合 6m??沙休d壓力 8029Kpa,遠大于上部荷載。考慮失穩(wěn)因素,取柱身截面為最弱截面,直徑,高6m。假定兩端鉸接,則極限承載力=EI/。I=/64=。=924OKpa,所以承載力取802
19、9Kpa。不難看出,柱身足夠粗壯,不會存在失穩(wěn)問題。廳堂六等材,柱徑36 份,為??沙休d壓力6510Kpa,遠大于上部荷載。節(jié)點研究10v1.0可編輯可修改榫卯聯(lián)接結(jié)構(gòu)中,榫頭卯口連接處較容易損壞糟朽,且榫頸截面驟然縮小,受剪受彎時都屬于薄弱面, 是以設(shè)計時, 榫頸應(yīng)盡可能寬大一些, 以保證建筑較長的使用壽命,并使后期修繕更加容易。(1)燕尾榫破壞形式。榫頸剪切破壞跨度小,荷載大,剪切作用明顯。榫頸彎曲破壞跨度長,彎曲作用明顯。榫頭拔出卯口破壞柱徑較小、榫頭拔出趨勢明顯,由于木材具有彈性,榫頭被擠壓變形,卯口漲開。榫頭變形到可以拔出時, 卯口的壓應(yīng)力大于木材橫紋抗壓強度,卯口破壞。榫頭拔出榫頭
20、破壞柱徑較大,卯口內(nèi)部距離柱緣凌空面較遠,不易變形, 使得榫頭本身發(fā)生破壞脫出卯口。此時榫頭順紋剪切應(yīng)力大于順紋抗剪強度,榫頭剪切破壞。(2)透榫破壞形式。榫頸剪切破壞梁上豎直荷載大,局部應(yīng)力超過木材橫紋剪斷強度。榫頸彎曲破壞節(jié)點處彎矩較大,榫頸兩側(cè)達到相應(yīng)抗拉抗壓強度。銷釘截斷,榫頭脫落。梁內(nèi)拉應(yīng)力較大,銷釘被截斷,榫頭隨之抽出。(3)有效支撐長度由于古建筑榫卯連接節(jié)點不可避免的會有間隙,所以當木梁受彎時, 榫端會有一部分受力翹起,在卯口中的實際支撐長度,可能小于木榫長度。砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定,梁端節(jié)點支撐長度=10( 當>a時,取=a) 。與榫卯結(jié)構(gòu)支承情況相近,其中為梁端有效支撐長
21、度,h為梁高, f 為橫紋抗11v1.0可編輯可修改壓強度設(shè)計值取 6Mpa。闌額高 30 份,厚 20 份,用三等材,=,用六等材,=8cm。殿用最大尺寸為八椽栿,高60 份,用三等材,=。(4)燕尾榫改進意見以前的做法為,燕尾榫寬為枋寬一半,榫長為柱徑的1/4 到 3/10 ,榫寬等于榫長,榫根收乍不宜過大,在 10一 30之間,即榫頸寬度約為榫頭 70%到90%。研究發(fā)現(xiàn),榫頭厚度增加,節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度增大,極限彎矩增大。然而節(jié)點所能承受彎矩較小,對減小跨中彎矩的貢獻有限。榫頭的收窄比只要滿足10%的錨固條件即可。當榫頸寬度一定, 榫頭長度一定時, 榫頭寬度的增加, 對提高節(jié)點的抗拉能力和抗外界力矩作用能力無明顯作用, 反而影響柱身的整體受力性能, 所以榫頭收窄宜小不宜大,以確保榫頸薄弱截面不會剪破或彎曲破壞。若是 30 份高, 20 份寬的闌額,榫頸9cm以外的榫頭不承受豎向剪力,只承受橫向拉力。因為柱直徑限制,榫頭寬度不宜加寬,柱端兩卯口時,榫寬可取3/10 柱直徑,三榫或四榫頭時取1/4 柱徑。杉木的順紋抗切強度與橫紋抗壓強度相近,而抗拉強度較大, 所以為了能使梁枋傳遞更大的拉力,當柱端
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 關(guān)于安全生產(chǎn)的研討材料
- 特種設(shè)備安全生產(chǎn)隱患排查治理管理制度
- 餐飲部主要崗位的崗位職責
- 教室安全教育總結(jié)
- 安全生產(chǎn)300字心得
- 對公司安全生產(chǎn)工作的意見和建議
- 網(wǎng)格員工作個人總結(jié)
- 宿舍安全事故案例
- 山西省呂梁市汾陽中學(xué)2025屆高一化學(xué)第二學(xué)期期末檢測模擬試題含解析
- 貓咪病癥介紹課件
- 北京市大興區(qū)2025年初中學(xué)業(yè)水平考試地理真題(含答案)
- 辦公室應(yīng)聘題庫及答案
- 2025年黑龍江省龍東地區(qū)中考數(shù)學(xué)試卷
- 2025年河北中考地理真題含答案
- 國開機考答案 管理學(xué)基礎(chǔ)2025-06-27
- 美術(shù)機構(gòu)教師管理制度
- 2025至2030中國建筑水泥行業(yè)產(chǎn)業(yè)運行態(tài)勢及投資規(guī)劃深度研究報告
- 2025年中國數(shù)據(jù)庫市場研究報告
- 國家開放大學(xué)《思想道德與法治》社會實踐報告范文一
- 2024年包頭市公安局招聘專職留置看護警務(wù)輔助人員筆試真題
- 【9語安徽中考卷】2025年安徽省中考招生考試真題語文試卷(真題+答案)
評論
0/150
提交評論