木结构古建筑斗栱力学性能分析

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摘要：我国历史悠久，在历史的长河中，建筑的发展一直是为人们所重视的行业。我国古建筑的历史较久，并且我国的古建筑因为自身的特点以及风格，对于世界的建筑发展都产生了极大的影响。中国古建筑的构架中，大都采取木质材料进行，将木构架作为有效的建筑承重体系，并且在木构架的不断发展进行中出现了一种新的组合构建－斗栱。笔者通过对四川木结构古建筑斗栱的力学性能进行了科学的分析提出了以下观点，仅供参考。

关键词：木结构；古建筑；斗栱

四川省的木结构古建筑斗栱有着较为明显的地域特点，大都采取“前繁后简”或者前面较为浓密后面比较稀疏的方式来进行排列。我国是一个历史悠久的大国，由于人类的发展进步离不开对建筑的有效建设，因此我国的建筑行业发展历史也较为悠久。斗栱作为中国的木构建筑中最有特色也是文化气息最为浓厚的部分，同时也是中国古建筑行业发展以来最为繁琐复杂的建筑结构。随着时代的发展，社会的进步，以及风俗文化的改变，相应的斗栱的结构以及布置方式都有着较大的改变。[1]

1斗栱的起源

目前对于斗栱的起源没有确定的说法，仍然处于众说纷纭的状态。按照构造方法，部分人认为斗栱的出现是因为受到树杈形状启发得来的；另一部分则认为是由倒置的屋架进行变形形成的小型复合构架。

2斗栱的演变

斗栱的历史非常悠久，最早在商周时期就已经出现，并且一直到清代都有着明显的使用。但是由于斗栱的各个部分在宋代之前并没有专门的注解，因此无法有效得知道斗栱的各个部分在宋代之前的名称。后期则出现了宋式名称以及清式名称，这两种名称的出现有效地使不同时期的斗栱得到了明显的区分。各个时期的斗栱都有着明显的不同。汉代时期还没有对斗栱进行有效的形状规定，因此在这一阶段的斗栱有着各种各样的结构；在南北朝时期则对斗栱有了进一步的结构规定，采用了人字模式进行斗栱的构建，又称为人字栱；在宋朝一直到元朝时期对于建筑行业进行了有效的规则制定，在建筑规则的规范下，使斗栱的形状得到了进一步的发展与调整，同时构造也更加复杂，并且减少了用材；到了明代时期，对于斗栱的建设有效地继承了元代的斗栱的构造，还进行了进一步的改造，补间铺作的数量增加至六到八朵；在清代时期的斗栱建造则是对于斗栱的名称、外观以及规格大小都有了新的规定。而在辽、宋、金时期中常见的偷心造斗栱的做法，在清朝几乎失传。[2]

3四川斗栱

由于我国的国土面积较为辽阔，而四川在当时处于距离京都较远的位置，因此四川的建筑物样式的改变相对比较落后，使其斗栱建设与其他地区随着时间的变化较为明显的构造改变不同，这一地区的斗栱建设有着极其浓厚的地方特色。往往在一座木制的古建筑上可以发现各种不同样式的做法。四川斗栱大都采用前密后疏的排布方式，在构造方式上则是采取前繁后简的方式进行，这种斗栱的建造方式虽然较为繁琐，但却充斥着浓厚的四川文化气息。

4四川木结构古建筑斗栱的力学性能分析

在我国的古建筑的建设过程中，大都采用了木材进行有效的构建。木材具有方便取材并且加工方便的特点，因此这种建筑材料在建筑行业的使用一直沿用到今天。木材是一种有机材料，而其中多蕴含的木纤维更是使木材性质各异的原因。通过对于各个省市地区的木质结构建筑的有效研究发现，古建筑的建筑材料使用大都遵循就近原则，因此四川的古建筑结构大都采取使用楠木以及杉木等木材。通过对各个木材的数据分析以及弹性模量的计算得出了以下数据（如表1）。

4.1ANSYS分析流程

通过对三个斗栱模型的有效建立，并且将三个斗栱模型分别建立为木塔柱头铺作、计心造斗栱以及偷心造斗栱，但是由于斗栱的构成部件较多，构造较为繁杂等问题，因此必须要在对斗栱模型进行有效地掌握后，才可以使用SolodWorks进行斗栱的三维模型的有效建立。在进行三维模型的斗栱建立前，应该先进行斗栱的各个部分零件的三维模型的有效建立，之后再进行有效的三维斗栱模型的装配，有效地构建出三维斗栱模型并且进行科学的斗栱力学性能的分析。

4.2材料属性

由于木纹的方向以及强度的不同，因此在实际的应用中对于斗栱各个构件的承载力的影响也大不相同。在进行ANSYS的模拟实验中，为了有效地对模拟的木材进行详细的数据记录，就需要在模拟过程中将木材的属性设为不同的模式，从而有效地促进模拟实验数据的准确性。

4.3划分网格

可以通过使用网格划分的方式有效地进行数值的求解计算。网格划分得越密集其实际模型的数据也会越接近于古建筑的结构数据。但是同时对于计算精确度的要求也就越高，使求解规模也会大幅度的增加。因此，为了有效地提高计算效率，就必须要使计算的精确度、求解规模与网格划分的密度进行有效的综合，使其在可以承受的计算范围内最大限度的使实际模型的数据贴合古建筑结构模型。[4]

4.4施加约束以及荷载

在进行有限元模型的条件设置时，对于模型的边界的条件进行有效控制，可以使实验的条件达到统一，从而有效的模拟斗栱的力学性能在各种模式下所产生的数据，之后进行详细的计算整理，进一步得到有效的斗栱的力学数据，然后进行数据间的比对，得到完整的数据结果。

4.5有限元的分析结果

随着三种斗栱三维模型的有效建立，使斗栱的各个部件在不同的受力情况下进行有效的模拟，从而进一步的得到斗栱的力学数据。并且通过有效的斗栱力学性能的实验对比以及科学分析得到有效的结果。

4.6分析对比

通过有效的数据比对分析可以得出斗栱在竖向荷载的力学性能是可行的，并且通过对实验数据的合理分析，还可以有效的了解斗栱在竖向荷载作用下的力学的相关特征。通过模拟实验可知斗栱的水平力会随着位移的增速而增大，随着位移的降速而减小。由此可知用ANSYS可以有效地对斗栱的力学性能进行详细地分析。计心造斗栱在进行模拟过程中可以发现，其在竖向荷载的作用下，会出现两个阶段的力学性能。第一阶段会随着荷载的增大导致位移的快速增加；第二阶段则恰恰相反，会随着荷载的增加导致位移的减慢。而产生这两个阶段的主要原因则是因为计心造斗栱出现了弹塑性问题，因此导致两个阶段的数据不同。通过对计心造斗栱进行多次反复的荷载步实验，并且对实验数据进行有效的记载，使数据在后续可以进行进一步的整理。在对实验数据进一步整理，在荷载步的加载初期，斗栱的各个部件对于荷载步的承受能力较强，弹性较好，因此水平位移增速较大但是对着水平位移增速达到一个顶点时，斗栱的各个部件就会进入塑形阶段，从而减少斗栱的刚度。[5]

4.7水平低周反复荷载作用下的力学性能

在进行斗栱的有限元模型构建后，将斗栱进行有效的倒置，并且施加足够的竖向荷载，使斗栱在整个过程中的位置不变，并且通过多次反复的实验，使实验数据可以无限地接近实验条件，在斗栱的加载初期可知，斗栱的各个结构部件在这一阶段处于弹性阶段。通过实验数据可知，由于偷心造斗栱的构建方式的特殊性，使其可以更有效地减少因为地震灾害所造成的建筑破坏问题。

5结论分析

通过对于模型的建立以及有效的实验可以得知，三种斗栱在不同的力学荷载下会得到不同的力学性能。[3]数据具体结论如下：第一，在进行竖向荷载试验时，通过对三种斗栱进行有效的竖向荷载作用，计心造斗栱与偷心造斗拱的弹性受力能力相对来说比较接近，并且对于弹性的承受能力也大多都相同。但是同等条件下的模拟测试，计心造斗栱对于竖向荷载的承受力要远高于偷心造斗栱的承受能力，但是其自身的稳定性要远低于偷心造斗拱的稳定性。因此在竖向荷载的承受能力方面的模拟实验可以有效的了解偷心造斗拱与计心造斗拱之间的差异；第二在进行水平低周反复荷载的模拟实验室，可以明显的发现通过有效的相同数据的水平低周反复荷载的作用下，计心造斗栱的抗侧刚度要远远的大于偷心造斗栱，并且两种斗栱弧形曲线相似度极高。同时这种模式的斗栱也有效的应用在了四川的饶益寺大佛殿之中。因此四川的饶益寺大佛店的抗震能力极强，并且其自身的斗栱布置目前由三种方式构成。通过有效的研究可知ANSYS成语可以有效地对斗栱的构建以及斗栱的力学性能进行有效的模拟实验，并且可以使斗栱的实验数据更加接近于中国古代的古建筑所用的斗栱的数据，从而可以有效地提高实验数据的准确性以及精确性，还可以有效地使人们对于斗栱的认识进一步加深，使人们对于古代的建筑构造进行进一步的认识与了解。通过对斗栱的实验分析，并且通过对其抗震原理的科学分析与探索，还可以进一步提高我国建筑行业的进一步发展，使我国建筑的防灾抗震能力得到进一步的加强。同时由数据可知，我国的斗栱建筑结构不仅可以有效地减少因地震带来的房屋塌陷的问题，还可以有效地提高房屋的抗震能力。通过有效的实验以及对实验数据的进一步整理分析，使我们对于斗栱的力学性能的研究进一步地加深，通过对于斗栱的力学性能认识进行进一步的总结，可以使人们可以有效的认识并且了解斗栱，并且知道斗栱在我国古建筑时期的重要作用，并且更加深刻地认识到斗栱的特殊地位。

6结语

综上所述，斗栱在我国古代建筑中的出现，不仅是人们智慧的产物，还是人们创造力的体现。通过对斗栱全面的力学性能的研究，从而有效的了解其本身的效能，并从中进行学习，不仅可以使人们对于古建筑中的斗栱有了进一步的认识与了解，还可以有效的通过实验数据可以得到斗栱的相关技术数据，从而使我国的古代建筑构造进一步地被人们认识。通过对于斗栱的有效的力学研究，还可以将斗拱的建筑构造充分地融入到当今社会的建筑设计中，从而有效地提高我国建筑对于地震灾害的抵抗能力，提高建筑的稳定性，使地震来临时，建筑可以减少坍塌的概率，从而进一步地保障我国人民的生命以及财产的安全，才可以有效地维护社会稳定，提高社会的发展进程。同时通过对四川木结构古建筑斗栱的力学性能进行科学的分析，可以有效促进我国建筑行业进一步发展。

参考文献

[1]韩一城.斗棋的结构、起源、与《营造法式》——j铺作”与“跳、铺之作”辨析阴.古建园林技术,2000,69(1):13.17.

[2]《古建筑木耳机构维护与加固规范》编制组.古建筑木结构用材的树种调查及其主要材性的实测分析[J].四川建筑科学研究,1994,20(01):11.14．

[3]高大峰,赵鸿铁,薛建阳等.中国古代大木作结构斗木共竖向承载力的试验研究阴.世界地震工程,2003,19(3):56.61．

[4]古潘毅,王超,唐丽娜,李玲娇.建筑木结构直榫节点力学模型的研究[J].工程力学.2015(02)

[5]周乾,闫维明,关宏志,纪金豹.木结构斗拱力学性能研究进展[J].水利与建筑工程学报.2014(04)

作者：李承伟 宋永胜 敖玉连 吴伟 芮倬 单位：中国建筑第七工程局有限公司