對中國古建力學的思考

對中國古建力學的思考李豪邦〔中國建筑東北設計研究院沈陽110006〕摘要文章對中國古建進行剖析后，認為中國古建的特點是結合瓦屋面墊泥自重大的情況，使其柱、枋、梁三類件剛柔相濟地承載、抗風協(xié)同工作，而對地震卻有著更好的隔震效能，正因此，應縣木塔才能歷經千年，颶風不倒、地震不塌，完整地保存到今天。關鍵詞古建結構隔震應縣木塔前言中國古建綺麗多姿的風韻在國內眾多的旅游景點是隨處可見，她的風格已遠及日本、韓朝，甚至海外各處華人街市。古建重要的特征在于木構的屋蓋，不管雙坡的硬山、懸山，多坡的歇山、廡殿及至攢尖、重檐，其優(yōu)美的曲線造型輪廓，配以屋角起翹，纖細線條，輕巧玲瓏、樸素典雅。與西方古建相比，給人以柔和雅麗的印象，更多美的享受。古建造型輪廓的構造內核是古建的承力結構。近百年來學術界對古建的重視是時有倡導，特別是上世紀初中國營造學社的成立，曾做了大量的古建調研實測，而對古建承力結構的受力探討未能涉及。上世紀80年代撥亂反正之后以北京古建研究所為主曾在古建結構構造處置細部的調研整理方面做了大量細致工作，并形成了系統(tǒng)專著[1]、[9]，但在涉及深入到力學理論層面的、古建構件的受力性能方面，那么由于古建結構隱含的特殊機理不為當今各類明確的結構體系所納，難以建模，故而一直無人問津。從歷史角度來推敲、解讀古建結構作品的形成特點，可以想象得出，今日保存的古建是古代匠師，師徒沿襲傳承、學納外師技巧、一代接一代吸取經驗與教訓、逐步改良、通過皇室等大型建筑集中多方經驗，形成一段時間的法那么，再不斷改良開展營造出來的建筑結構作品。對這些作品，從今日技術角度來看，由于當時缺泛科學理論引導，因之不難發(fā)現其中存有：材料運用不盡完善、節(jié)點處置不夠完美恰當的缺乏之處。然而我們必須成認：歷經上千年傳承下來的古建處置手法是出自歷代眾多的圣哲匠師的終生琢磨、運思獻策、集思廣益，且經歷了歷代颶風與地震的考驗，不斷改良提練出來的當時最精練的精湛技術。建于公元1056年的山西應縣木塔至今傲然挺立，這有力地說明：中國古建結構的處置手法雖然與當今依據力學理論優(yōu)化設計的成熟做法不完全符合，但她66米高、四千多噸重，挺立950年的事實，反映了她必然絕對是符合結構力學根本原理能到達強度有余、穩(wěn)定足夠的境地。從這個角度來看，中國古建在力學機理上是存在尚未被同業(yè)人士可清晰認辯的深藏特殊機理及超越當今的高明之處。針對當前現代建筑結構的技術進展，以其具有的力學理論深入、科技手段廣泛、用材類廣且為大工業(yè)生產的綜合強勢、擠迫古建、湮滅古建單一用材、手工生產效率低下的情況，我們當今國內結構同行應是責無旁貸地投入精力對此項深藏的特殊機理澈底剖析清楚，這樣才不愧對圣哲匠師的辛勤勞作，也有利于保護古建并適度開展以對得起后代來者。一古建結構承傳豎、風載的情況分析1.1古建房屋的構成一般分三部段，即臺基、屋身與屋頂。屋身皆為直立的木柱、屋頂為頗多桿件組成的木構架。今參照文獻[1]圖2-2所示常用的硬山木構架來看，望板承當屋面瓦、泥灰以及其上活載后，將其傳給椽條〔腦椽、花架椽、檐椽、飛椽〕，椽條又將荷載傳給檁條〔檐檁、下金檁、上金檁、脊檁〕，檁條接受荷載后，除檐檁、下金檁直接將其傳給下面的柱頂外，而脊檁、上金檁那么是將荷載通過瓜柱、三架梁傳給舉架底部的柁梁上，再由柁梁最終傳柱。這樣，從傳遞豎載來看，當建筑布四排柱時，其主要的結構構件，除柱之外將是柁梁、檐檁和下金檁，它們都是置于柱頂將屋頂全部豎重直接傳柱。從受力角度來看，在豎載作用下屋頂構件的受力都是清晰的，椽、檁、柁梁的受力為靜定的受彎構件。柱屬于軸壓或偏心受壓構件。對它們進行桿件內力計算及截面應力及至確定截面都是方便的。1.2作為地面以上的古建筑除了承當豎載之外，也必須考慮承受風載以及偶然出現的地震作用。風載是地面以上空氣流動形成的風壓，它來的方向可以是隨意的四面八方，作用給墻面及屋頂坡面，幾經傳遞最后作用給柱或墻，而后傳給根底。當建筑平面中布置軸線正交，柱與墻規(guī)格勻稱時，風力的傳遞不管風向如何皆可根據力學中力的分解原那么，分解為相互正交并平行于建筑中墻面的力來分別傳給雙向的墻體來承當，此時柱對水平風力將承當很少甚至不承當，〔對低層的磚結構建筑，由于墻量較多，抗風能力大有富裕，故常對風載略而不計〕。這樣看來對古建中無墻的亭、榭類建筑，以及房屋一側全開門窗的建筑，其對柱的抗風能力就必須給予妥善解決。1.3觀測木柱的根部，其底端為一石制柱礎〔或稱柱頂石〕，在柱礎正中鑿一卯孔〔又稱海眼〕。加工柱時將其底做出一凸榫，安裝時使凸榫插入卯孔。顯然這種古代木結構的合理做法和當今現代結構的砼柱底甩筋錨入根底，或鋼柱底周邊外采用長地腳螺栓錨入砼根底的做法，從力學角度衡量二者差異是很大。假設不考慮上部結構具有對柱約束其傾倒作用的存在，那么對砼柱、鋼柱頂端施加水平力是可以允許、理由是砼柱、鋼柱為剛性嵌固于根底的懸臂狀態(tài)。而木柱底部為鉸接，凸榫雖可承受剪力，但不能承當出現于柱根的彎矩，一旦柱頂施加水平力，那么木柱必然傾倒。1.4觀測木柱的頂端可看出，柱頂一般是存在雙向多層水平桿件的相互交搭。今以四排柱布局的硬山明間的檐柱與金柱〔參見文獻[1]中圖2-2、圖2-3〕來說：檐柱頂在縱橫雙向有檐檁、抱頭梁與柱三向交搭〔檐檁位在抱頭梁之上〕；金柱頂在縱橫雙向有金檁，柁梁與柱三向交搓〔檁在柁之上〕，此種交搭當相接面為平面時，按力學原理來看，該相接面之間僅可傳遞豎向重力，水平剪力可借助磨擦產生，而對彎矩那么在柱頂不變彎情況下是無法出現。1.5再觀測木柱頂端的下層：在柁梁之下有隨梁枋，在金檁、檐檁之下有金枋、檐枋，有抱頭梁之下有穿插枋。這些枋件的用料與其上對應平行的梁件用料有時少有減少，但其與柱的連接那么皆采用燕尾榫。由于燕尾榫的構造特點是榫呈楔形，安裝時由頂落入卯槽就位，對柱頭可拉可推，這種連接做法與枋件之上的，梁件與柱連接的性能比照是大有改善，它可以傳遞一定的水平力及至彎矩，這對柱的傾倒是有著約束作用。二燕尾榫在枋與柱連接節(jié)點中作用的力學概念分析圖1所示為枋件與柱的連接做法，其中繪出了節(jié)點平面、立面及枋件端燕尾榫大樣的投視。從圖中我們運用結構力學根本原理進一步思考可看出節(jié)點受力的以下幾點：2.1當枋件受拉時，對枋件的最不利受力面將發(fā)生在ABB1A1面上，當拉應力值超過該截面的極限強度時，該截面將出現斷裂。對立柱而言其不利的受力面是當拉力通過磨擦剪切作用給柱的FBB1F1平面而后有可能引發(fā)起始于榫前角E、F點處立柱木纖維拉裂劈開縫FH及EG，并沿該線上下擴展一定長度到H3、H2。2.2當枋件受壓時，由于榫端面EFF1E1與卯口內壁做不到密合，故枋件對柱的壓力很可能是通過卯口外的BDD1B1及ACC1A1面上枋端與柱面的接觸擠壓進行傳遞。圖12.3當枋件端受彎時，由結構力學原理知：枋件受彎截面的中部會有一中和軸線，該線上下截面的應力相反，一側〔上或下〕受壓那么另側〔下或上〕受拉，而且截面上最大應力產生在截面的上、下邊緣處。據此推理，此時枋件端燕尾榫的受力情況將是在受拉的上〔或下〕面兩側邊緣處榫側面與柱卯口側面頂緊擠實到用磨擦剪力傳遞拉力，而其承壓的下〔或上〕面兩側，那么榫側與柱卯口側面脫離，此時該處的壓力傳遞改由榫根外的枋的兩側余留面〔BDD1B1及ACC1A1〕的下〔或上〕邊緣擠壓柱外表來提供。2.4可以想象得出，上述燕尾榫的受彎工作是存在有木構造的自身結構特點。首先，榫上〔或下〕緣頂緊卯口側是需要出現變形來產生的。其次是枋件下〔或上〕緣頂緊柱外表也將產生相應的變形。以上兩變形的結果會造成枋件軸線相對于柱軸線出現轉動的角變形，即對枋件與柱的原有夾角出現或縮小，或放大的現象，這在實際中就是出現柱身歪斜。由于此變形是出現在榫卯受力起步階段，今稱此變形為“起步變形〞，其實質是枋件就位拼裝時由難以防止的松弛態(tài)進入受力態(tài)之間的變形，〔今令此變形用柱頂位移量S表示，那么枋端榫只有出現S之后才受力工作產生對柱的約束。〕此變形雖然僅是在受彎起步時產生，而當其后受力增大過程內，只要不出現反向受力及超限負荷情況那么是可以根本保持夾角不再變動。但此夾角變動〔反復負荷時變動更明顯〕的現象是和結構力學對框架節(jié)點的定義〔節(jié)點是剛結、梁與柱二者要轉動一齊轉動，但二者相對不動〕相違背的?；诖丝烧J定木構柱枋間燕尾榫連接不能等同鋼結構、鋼筋混凝土結構的框架節(jié)點。同時也應看出：枋柱夾角的變形導致柱歪是不利于結構的受力與使用，對此“起步變形〞令其為零屬不可能，但應力求減小才適宜。三古建木構架抗風的力學機理分析3.1根據當今結構力學的觀點：柱底為不動鉸的構架、如假設柱頂沒有強有力的支頂拉接〔如長向磚墻或斜撐〕，同時柱頂構件不能提供限制柱側傾的約束力矩時，那么該構架柱在受到水平外力作用下是必然會全部傾倒。今結合古建木構架的實際狀況，由于它存在柱頂枋件并以燕尾榫作法與柱連接，如以上分析所述，該節(jié)點在出現“起步變形〞之后枋件是可以承當一定的作用給柱的力矩來約束柱的連續(xù)傾倒變形。依此來看風力作用下的枋件與柱，由于枋件是左右兩端支于柱頂、左右柱長不變，那么枋件就不會出現轉動，但對柱來說，由于柱頂在風力作用下會出現柱頂移位，但柱底不動，這就使柱產生少許側傾變形，此變形將使柱與枋件的夾角帶來變化，這就形成了“起步變形〞，隨之引發(fā)枋件端榫對柱出現約束力矩以防止柱側傾的擴大。此項約束力矩是同時出現在枋件兩端，且兩端約束柱身轉動的方向相同〔示如圖2〕。該約束力矩Mf傳給柱后，將與柱底相應承當的剪力V1所引發(fā)的柱頂彎矩V1·H1相互平衡。對此可列式如下：Mf=V1·H1〔1〕式中：V1——對應Mf可允許的柱底剪力；H1——由柱底到枋件中心的高度；Mf——枋件端榫可承當的力矩，對其量值的計算可如下進行。圖2今設枋件受力時，其承當的彎矩是使頂面受拉，那么在圖1的CABDD1B1A1C1面上的應力分布根據概念推理將如圖3所示，圖內于截面高度的中部大片應力為零，這是考慮存在起步變形的情況所致〔假設視截面為連續(xù)彈性體，那么僅是在截面中部的中和軸處應力為零〕。針對圖3的應力分布，我們對枋件端〔榫根〕截面的受力可近似取上部拉力總和F為：F=0.2H·b×1.1×ft=0.22Hbft〔2〕式中：H·b為枋件截面高及榫根頂面寬〔示如圖3〕。ft為木材順紋抗拉強度設計值，可根據用材樹種參照國家標準〔GB50003-2003〕取用，對ft前的1.1系考慮木材高韌性[10]局部受力暫用的提高系數〔日后經試驗可作修改〕。由于截面上下屬力偶抗彎、下部壓力之和亦為F，這樣，榫根允許承當的彎矩Mf可暫如下：圖3Mf=F×0.8H=0.8H×0.22Hbft=0.176bH2ft〔3〕3.2對榫連柱枋木構架具有“起步變形〞的特點來看，其對木構架的受力工作將是引起柱頂位移的加大。位移加大——這對鋼筋混凝土框架及鋼框架來講是屬不到因素，按現行標準必要時要求在結構設計計算中考慮P·△效應，進行二階彈性分析。對木構古建從現實來看，構架的梁件〔柁梁、檁〕是簡支浮放在柱頭頂面，而柱底也是浮放在柱礎石頂面之上。考慮到木構架在受水平外載作用后，柱頂出現側移時會伴隨出現柱頂面及柱底面的傾斜，形成柱頂面一角降下，另角升起〔示如圖4〕。這將導致柱頂簡支梁件對豎重的向下傳遞由原先的在柱中心下傳改為由柱頂升起的角邊下傳。同時，側傾了的柱下端其對豎載的向下傳遞也由原先從中心下偉改為由柱底面斜下角〔此角與柱頂的升起角為斜對〕下傳。這種因柱頂底面由平變斜引發(fā)的豎載在柱頂面及底面上的移位傳遞，對柱而言起著迫使柱減輕側傾的趨勢；應認為是一項對柱頂作用的約束力矩。今命此柱頂底傳力移位的效應力矩為Mb，那么在推理及假定條件下可有下式：Mb=N·K·B=KNB〔4〕式中：N為柱件傳下的豎載力；B為柱頂面寬；K為出現Mb時柱頂底所傳豎力線平行中距與B的比值，可取為0.6～0.9。如屬必要可根據實況作試驗確定。與此同時，我們也應清晰認識“起步變形〞的不利影響一面。今取“起步變形〞形成柱頂的位移值為S〔此S值主要與榫卯加工精度有關，它由零起始，直達S后，枋件才通過榫接對柱產生約束力矩〕，那么上柱頂豎載N將因S的出現產生導致柱傾的致傾力矩NS此致傾力矩對柱的作用與約束力矩為相反。這樣看來，柱頭在承受水平外載出現起步變形之初，首先出現Mb的約束力矩，當其能力缺乏隨著起步變形到達S后，Mf才起始參予。此時施加給柱的總的約束力矩M可如下式表示：圖4M=Mb-NS+Mf=KNB-NS+Mf〔5〕在上式〔5〕中Mb可認為是恒定，Mf那么是僅當出現NS時才會形成來參予工作。而NS的出現是標志著單由Mb來約束柱已能力缺乏，需Mf出面參予合作才能完成的約束柱的側傾歪倒。這里反映出一個現象，即當柱頂壓重N很大〔多層塔類結構當屬此〕，柱的尺寸又較寬〔即B較大〕時，Mb將顯著為大，此情況下有可能會是單有Mb即可約束柱不出現側傾歪倒。此時的柱身只是將要出現側傾趨勢——柱頂位移那么有一點出現，其量遠不及起步位移S值，在這種情況下對結構的使用無疑是十分良好的。為進一步說明Mb存在的作用意義，今借文獻[5]、[6]對應縣千年木塔的有關數據、尺寸對Mb作如下粗略估算：木塔上部總重〔不計底層墻體重時〕=2940t。塔高65.86m，除去頂部尖端及底部半層高后的計算底層風壓總剪力的承風壓折算高度取為48m。塔身八角形，近似取受風面的直徑為25m。塔體明暗共9層，底層柱凈高取用5.2，柱寬取5.2÷11=0.48m。今設塔底的柱根數為n，那么單柱承當的下傳豎載力N=2940t÷n。按公式〔4〕計算Mb并取K=0.85，那么Mb=0.85×(2940÷N)×0.48=(1200÷N)t-m據文獻[11]計算塔體受風時的底層總剪力V為：V=1.4×1.05×1.42×0.8×0.8×55×48×25=88172kg此總剪力對底層柱頂產生的總彎矩=88.172×5.2=458.5t-m。平衡此彎矩所需全效能效勞的柱根數=458.5÷1200/n=38.2%n。上式計算充分說明Mb的影響是相當可觀，不需全部柱參予，僅有總數38.2%的全效柱即可在塔體不出現明顯的“起步變形〞條件下〔即枋件端榫全然不工作〕，單由柱頂底傳力移位的效應力矩即可與塔體受風的設計值取得平衡。細心觀測圖5所示的多層塔梁柱接頭示意，可看出上述結論并不意外。這是因為夾于上下柱之間的梁完全類似于上下柱連成整根而梁好象是透榫，穿入其間，榫與卯孔間完全無隙，這樣的約束雖然不是真正的透榫但其作用效果是可以令人滿意的。3.3通過以上的分析探討，我們可對古建構架特點作如下表述?！?〕古建木構架的主件皆由柱、梁件、枋件三類構成，梁件與枋件上下平行配置，但二者有著明確的分工。梁件首先始終承當其上豎載的向下傳遞〔其對水平外力的抵抗參予那么與傳載大小、柱寬尺寸有關〕。而枋件僅在必要情況下——即柱出現一定的側傾S之后，才承當抵御水平外載。〔2〕依構件受力重要性區(qū)別來說，在單層古建中，梁件承受豎重后，形成跨中截面彎矩值最大，但實際工程中一般因截面選用較大，故相對而言，梁件多不存在薄弱環(huán)節(jié)。但仿件相比那么不同，因其在抵抗側向水平力情況下支座截面所受彎矩最大，同時還有剪切力存在，而相應枋件端頭燕尾榫根部因截面削弱過多，故形成為明顯的薄弱環(huán)節(jié)，這對亭、榭類建筑卯榫的尺寸決擇、精細密合施工都是需要特別注意的。對柱那么因其頂端所受彎矩為最大，更加柱頂存在多個卯口，形成截面明顯的缺失，而燕尾榫的受力又會形成柱頂的劈裂應力，故該處也存在形成為薄弱面的隱患。圖5〔3〕由于柱的頂底面與相鄰構件都是浮擱簡支狀態(tài)，而柱的高寬比相對較大，這在梁端負重較大時，是存在有對柱作用的約束力矩〔即柱頂底傳力移位的效應力矩〕Mb，此約束力矩對單層結構來說其效應多不顯著，但對多層的塔體結構來說，那么是十分重要的抗側力因素，在這種情況下，梁的受力將不再是簡支受力，梁端也出現了明顯的受彎，其在結構中的重要性正如此前對應縣木塔估算數據說明的那樣——非常顯著。四對古建類結構設計與強度計算的建議對此問題應區(qū)別仿古建、復古建、維修古建三方面來談〔由于中國古建巧妙地采用了隔震技術，故這里暫不談有關地震問題，另見下節(jié)〕。4.1就仿古建而言，在當今多元文化氣氛下已不再視作冒牌假貨，它實際是古建隨科技進展的延伸開展。對其建造的宗旨是其功能應滿足現代化使用要求，快好省建成。對其外形觀感要求具備中國傳統(tǒng)風格神韻氣質。這類建筑一般規(guī)模不是很小，對其建造是存在與現代結構進行造價省，施工快，優(yōu)劣方面的劇烈竟爭。在此情況下，對其設計應是盡量采用能有好省快效果的新結構為妥，如舉架采用鋼桁架甚至對頂斜梁加拉桿的三桿架、檁及椽條用薄壁鋼管，柱用配筋磚柱、砼柱、鋼管柱，屋面用瓦型彩鋼板等。在此情況下，對結構的強度計算應是遵照國家現行設計標準進行。4.2對復古建筑，它要求其在外形及內部骨架細部方面皆同古建。鑒于古建已有通用的營造法那么，依其規(guī)定制做，自然會符合于對建筑要求的初衷。由于營造法那么的制定在平安度方面都有較大平安保證，故不必另作設計計算，但進行中應根據的受力情況對薄弱處給予著重加強；必要情況下作一點簡化計算是必要的，可按實際據理進行。4.3對古建維修，此項工作應是要求慎重仔細進行，對重要的大型古建〔如應縣木塔〕更應具有先期研究、測試配合的過程。由于古建結構自身存在建筑初期就具有的“受力較大截面受限的薄弱環(huán)節(jié)〞〔如柱頭部位〕，因之修繕的著眼點須是應對薄弱環(huán)節(jié)，而對其它大多部位僅作一般針對腐朽、硬傷等特殊情況的查測，無問題即可放過。對薄弱環(huán)節(jié)如能采取有效的加固做法，使其恢復承載的原有平安度，那么應防止落架形成拆了重建的大動作。針對此狀況，對古建結構的強度計算就成為必須進行的環(huán)節(jié)，以作為對殘破如何取舍處置確實切力學理論依據。一般情況下的計算工作可按以下建議的步驟進行?！?〕對僅承受豎載的梁件，如無異?！哺唷⒂矀取?，那么可認為已經過承載歷史的考驗，不作處置?！?〕對結構的抗側〔抗風〕能力，首先查看建筑中如存在布局完備，砌筑良好的墻砌體可協(xié)助抗風，那么對上部木構也僅作一般查看，如無異?！哺唷⒂矀城闆r，那么可不作特殊處置。當不存在能協(xié)助木構架抗風的墻體時，那么應對木構架進行抗風計算?！?〕對古建木構架計算的具體進展應是：第一步，在結構的各類柱中核查選出在豎載及側力〔風載〕最不利組合作用下的最大柱底剪力Vmax。第二步，分別按實際尺寸及用材樹種計算該柱頂梁件可提供的，柱頂底傳力移位的效應力矩Mb[按公式〔4〕計算]。及枋件端榫可承當的力矩Mf[按公式〔3〕計算]。第三步，將Mb與Vmax·H〔柱高〕進行比照，如Mb＞Vmax·H那么視木構架的抗側能力可允許，對構架可不作大的處置。如Mb＜Vmax·H，那么須按公式〔5〕計算總的約束力矩M，此時對式中的起步變形S值應根據已有的調查資料或試驗數據予以確定，當M＞Vmax·H時，可視木構架的抗側能力為允許。應當成認，在以上的計算中，對柱底剪力Vmax確實定是存在著較大難度，這是因為從總體看：單個建筑中全結構承受的風載即為風對建筑的總風力，其對結構底層的總剪力是明確的。按作用風向，可確定參予工作的抗風構架，每排抗風構架承當的風力應按抗側剛度的大小比例分配，而后再求得分配于各柱的柱底剪力。這里說了簡單，但從分配的操作層面上看有難度，它涉及屋頂或樓層面的剛性、各柱頭的構造細節(jié)、枋端榫卯的加工精度及起步變形S的量值及其均勻性、各柱頭Mb與Mf生成過程的應力——應變特征……都難以確定。這在目前缺泛調查、試驗研究資料的情況下，如維修工程確屬需要時，我們可以主要依據歷史過程已有的結論及充分了解的現實情況，參照現代空間框架結構受力的思路及砌體結構設計中引用空間性能影響系數的做法，通過比對、思索、判斷的概念分析手段，適當留有平安余地來給予確定。此項工作是難，但只要考慮周全、慎細推敲，這從既往工程經驗[7]、[8]來看，還是可行的。五中國古建結構當時與西方建筑相比是偉大的輝煌成就5.1千年前中國古建就采用了隔震技術從建成已950年的應懸木塔〔高66m、重2940噸〕來看，在其近千年的歷史中，它經歷過的地震[6]有：1057年的河比固安地震6.75級、1102年的太原地震6.5級、1305年的懷仁應縣地震6.5級、1337年的懷來地震6.5級、1367年的朔縣地震5.5級、1484年的居庸關地震6.75級，至今建筑狀況良好，結構平安無恙。這從結構抗震的角度來看，令人費解實屬奇跡。但深層思索，并從當今興起的結構隔震角度來看，那么它無疑是結構隔震歷史上的應用面最廣，出現歷史最早的偉大創(chuàng)舉。對其屬于隔震的機制我們可從下述方面看出?！?〕從力學原理來講：建筑結構無論承受何種外力，該外力必須通過結構內部的工作〔產生彎矩、軸力、剪力〕傳給地基取得平衡之后才能確保結構的平安。風力對結構的作用是將風——這一水平外載直接施加給結構上，通過結構內各部受力應變傳遞將水平外載傳給地基。這里最可直觀感知、意識到的就是底層柱承受的層間剪力——即柱在頂底兩面上承受方向相反的水平力。在此狀況下柱要傾倒，于是柱頂的梁枋提供約束力矩Mb及Mf制止柱的傾倒——此即前述的柱抗風機制。〔2〕但地震對結構的作用與風載作用不同。地震是從地面瞬間產生位移起始而出現的。對于當今的常規(guī)建筑結構、不管磚石結構、砼結構、其墻、柱對地基甚至頂部梁多是剛性固接，這就使瞬間的地面位移量通過墻、柱的層間剪力向上傳遞，使上層也出現瞬間位移并伴隨有放大效應[12]，層層出現的瞬間位移是有著瞬間加速度的反響，有加速度就出現力這對建筑產生的危害是人所共知的。對于中國古建木構架來講，它卻和當今常規(guī)結構有著全然不同的以下特點：eq\o\ac(○,1)木構架皆為木柱支承。一律不設支戧類斜撐構件。eq\o\ac(○,2)柱底立于柱礎石上、柱頂平放梁件、上下皆為明顯的鉸接，對木柱不提供嵌固效應。因之，就梁柱關系而論，柱屬于上下鉸支。假設計及此前所述梁對柱所具有的“柱頂底傳力移位效應力矩Mb〞，該Mb也僅是對出現擺動的柱提供復位功能，而不引發(fā)層剪力。eq\o\ac(○,3)柱與枋件的連接皆為燕尾榫相連。由于該榫的就位是由柱頂順槽落下擠入卯槽，下落過程中外卡柱面、內擠卯槽斜壁，且又是整根枋件同時左右落下就位，故施工必然存在允許的松馳誤差，這使柱在出現起步變形S之前所形成柱與枋的關系也是鉸接。eq\o\ac(○,4)細究有關起步變形S的影響大小，可作如下估算：設榫在拉緊擠實卯槽側面的過程中須產生1.5mm的頂緣變形，而底緣的枋端與柱面密合縫隙，貼緊柱面也要有1.5mm的底緣變形，今設枋件高200，柱高4m，那么由于榫的密合接觸帶來柱頂出現相對位移a的值可由下式求得。即a=60mm此a值說明：當地震時，地面位移小于60mm時，木構架中的枋件是不參預工作——不約束柱的變形，亦即柱的工作屬于上下端皆為鉸接?！?〕通過上述可看出，中國古建結構對地震的反響與當今常規(guī)結構的反響大有差異，它在枋端榫出現起步變形之前，即枋件不對柱的側傾提供約束力矩的情況下，柱的工況是上下為鉸。這樣，地震出現瞬間反復的地面位移對柱就形成不了有效的層間剪力〔梁放柱頂之上尤如梁端放在一個可轉動的直徑同柱高的巨型輥軸之上〕，各層柱皆無剪力，而地震對結構造成的僅是接觸地面的底層柱的搖晃擺動，上部那么根本平穩(wěn)無事。此效果也正是當今結構工程界熱門追求的隔震處置。從應縣木塔看，效果如此良好的隔震措施出現在千年以前，這無疑是當時一項舉世的偉大創(chuàng)舉。5.2中國古建柱枋梁剛柔相濟結構體系是十分成功的優(yōu)越體系中國古建結構，不管是考究一點的民宅，還是帝王起居活動的宮殿，甚至廟、塔等類其上部結構構成的主件都具有柱、枋、梁〔檁屬其內〕三類〔它沒有當今設計常用、工地臨時多用、人類自古就熟悉用于扶持穩(wěn)定柱的斜撐類構件〕。這使人們對于建筑的靈活使用大為方便，可大開門窗，便于街道形成市面，甚至取消門窗形成亭、塔、榭。這類量大、歷經數百年的木構古建能完整保存至今的事實，有力地說明了僅由柱、枋、梁〔一般柱的高寬比以用11[1]，梁檁直壓柱頂，上柱再壓梁上，梁下必有枋，枋與柱以燕尾榫相連，梁枋間適當留隙〕組成的古建柱枋梁木構體系，其受力性能是合理的，生命力是頑強的颶風不倒，地震不塌，技術成就之大就當時條件而論是驚人的。近一步講，可從以下承重、抗風、隔震三方面看出。1屋頂采用舉架做法，這在出現力學理論之前，它對細徑木料用于較大跨度條件是一項高明的技術手段。力學計算說明，舉架底柁梁的彎矩比相等跨度梁的彎矩值有可能減小到50%上下。2采用少許加寬的柱身〔高寬比用11，這與當今木結構、砼結構設計標準[2]、[3]中可允許高寬比到35～50相比，明顯看出匠師的用心所在〕，梁放柱頂，梁上再立柱的營造法那么，這使梁在上下柱間具有了透榫的特性，具有了對柱較強的傳力移位效應，在古建自重較大的情況下這使多層結構〔如塔類建筑〕的抗風能力大為加強。但同時由于上下層柱確系斷開，故對隔震不存在不利影響。3不用很簡便的斜撐將柱支穩(wěn)，而是選設兩端做燕尾榫的枋件〔初看，與承受豎重絲毫無關〕與柱卯接，此營造法那么使結構具有了能成功隔震的機制，從而使地震對結構的危害減為最小；同時對單層的抗風能起可靠作用?？梢韵胂笠陨显诔兄?、抗風、隔震三方面結構都具有優(yōu)越性的古建，其對柱枋梁剛柔相濟而不倒的三要素〔取消斜撐用寬柱、梁出懸頭隔開上下柱，設枋做榫卯連柱〕的構成絕不會是隨機偶然的組合。它是古代具有超凡悟性智慧的匠師們通過代代相傳對颶風、強烈地震的觀察、思索、比試、分析。不斷地悟出力學上一點一滴的感知概念知識！不斷開展、改良直至成熟，雖然他們缺泛力學的理論根底，但他們聚合積累的深刻感認知識使他們能穩(wěn)重屢進地對古建結構作出颶風不倒，地震不塌的法那么決策與不朽的工程業(yè)績。5.3在結構技術上中西古建的比照人類自從有了營造意識以來，就一直為改良人們生活居住的房舍而努力，在技能底下，工具簡陋的營造作業(yè)歷史長河中，人們都是面對取材廣泛的林木，著力進行著以木材為主的房舍營造。以木為主——這不是那個民族或那個帝王的旨意。它是由技術與物質條件所決定，一是材料來源廣泛；二是搬運與加工相比照擬方便；三是在其內生活較比舒適。就此根本條件而論，可謂東西方的房舍營造是同時起步的。然而直至現代科技〔力學、鋼材、水泥〕出現時，東西方在房舍營造的技術、藝術、遺留古