木结构建筑中的结构抗震设计与分析

木结构建筑中的结构抗震设计与分析

徐桂玲

徐桂玲

新疆维吾尔自治区博物馆新疆乌鲁木齐830000

摘要：结合木结构的受力特点，对木结构中基础、斗拱、柱、梁、额枋、侧脚及生起等部位的抗震、隔震性能进行了探讨，对类似木结构的抗震设计与分析有一定的参考作用。

关键词：木结构，地震，结构抗震设计

在地震中大量的房屋建筑和公共设施遭到破坏或倒塌，但灾区历史文物中的大量木结构建筑遗产却大都保存相对较好，基本没有倒塌的现象，充分说明我国古代木结构建筑具有相对较强的抗震能力。所以，我们有必要对古现代木结构建筑的结构设计进行分析，对其抗震力学性能进行相应的研究。

1木结构力学性能分析

我国传统的木结构建筑结构体系，在很多方面都具有一定程度的框架结构体系特点，例如具有“墙倒屋不倒”的特点。木结构建筑中，其构件之间多采用柔性连接，使得主体结构整体具有相当程度的弹性和自我恢复性能。传统木结构建筑主体结构各构件之间多采用榫卯进行连接，该连接方式是典型的半刚性连接，具有相对较好的弹性特性和较强好的抗水平推力性能，实际应用中随着承受荷载类型变化可分为铰接和半刚性连接二种情况[1]。木结构连接设计中，榫头与卯孔在结构遭受突发性荷载时发生的摩擦滑移变化，其耗能作用非常显著，这是木结构建筑结构体系具有较强抗震性能的重要原因之一。

木结构建筑除绝大多数连接节点采用榫卯连接使其具有较强的变形能力外，还应加上其结构体系的合理布置方式。在我国，传统的木结构建筑的平面柱网和梁架布置大多采用均衡对称的方式，这种均衡对称的结构布置方式使得结构质量中心与刚度中心能够保持高度的重合，可避免在地震等突发性大的水平荷载作用下结构产生扭转等对结构抗力不利的内力反应。除结构在平面布置采用对称方式外，建筑在立面布置上也应尽量满足荷载均衡对称分布的要求，这种布置方式可避免结构的竖向荷载产生偏心受力。木结构建筑立面布置的另一个突出特点，就是大型的木结构建筑通常应选择低而宽的整体体形设计，使建筑形成整体稳定性强，具有较高柔性变化特征的框架结构体系。遭受地震时，木结构建筑能通过自身的柔性变形吸收消化掉地震作用中对结构的大部分能量，在一定范围内确保了建筑的安全。

2木结构建筑杭震设计与分析

2.1基础“隔震”

我国传统的木结构建筑中，台基主要由台明和埋深两部分组成，在柱脚下面地面上面采用砖石砌筑的可见部分属于木结构建筑台基的台明部分，地面之下平常不可见部分属于台基的埋深部分。在天然地基上，加铺夯土和碎石并隔层筑打形成的柔性基础，具有一定程度的“隔震”[2]作用。在柔性台基内，严格按上面布置木柱所需的尺寸大小，用砖石砌筑形成相应的台基嗓墩，在嗓墩上设置相应的柱顶石，再将木柱立于柱顶石上。相邻嗓墩之间应砌筑与其高度相同的拦土墙作为房屋建筑的条型基础，拦土墙条型基础将建筑台基内部划分为大小不一的相应网格，起到台基水平支撑的作用，使其水平抗侧力能力得到了大幅提高。由于台基与下部天然地基的刚度差异较大，遭遇地震时，台基会起到“隔震层”的作用，能有效过滤掉大部分的高频地震震动峰值波能量。另一方面，台基砌筑采用的多为条石、块石等石材，柔性叠砌后上下层石块之间容许一定的滑动，产生的强大摩擦力会消耗大量的地震能量，在地震发生时形成结构体系的“隔震层”，可有效削落地震中的强大能量[3]。其示意图及计算简图如图1、2所示。

图1古建筑隔震层（柱础、柱顶石）示意图

图2隔震结构计算简图

隔震层的水平等效刚度和等效黏滞阻尼比按下列公式计算：

按相应柱网的布置要求，将加工打磨后顶面光滑的础石，安放在已经过施工处理的台基上，并进行相应的调平确保安放的础石顶面足够水平，使上面的木柱构件能直接搁置安放在柱础上；若木柱与柱础石之间还设有柱顶石，则应将木柱构件直接搁置安放在柱顶石上，柱顶石的顶面也应充分打磨光滑，并调平。木柱与下部基础之间，即木柱与柱础石或是柱顶石之间是相互断离的，区间没有嵌固处理。在柱础石、柱顶石的光滑顶面，其截面的尺寸往往大于木柱的截面尺寸，即在柱础石、柱顶石的顶面上预留设一定的空间，当结构遭遇地震时，确保上部木柱发生一定侧移时仍在础石或顶石顶面上而不会倾覆，起到基础滑移的隔震效果。

2.2斗拱抗震

木结构中位于柱与梁之间，起传递荷载、支承上部结构的连接作用的被称为斗拱，在我国古代木结构建筑中具有十分重要的作用[4]。斗拱能把木结构中最外层的柑檀挑出较远距离，使木结构房屋的出檐更加宽、远，建筑造形也更加优美；另一方面，斗拱也增强了木结构体系的抗震性能。斗拱之间的各构件连接互不固结，同时各斗拱又与相应檐柱的正心枋和拽枋等构件纵向连接，大幅增强了结构体系的整体稳定性，起到了屋架结构可错移弹性叠层圈梁的作用。斗拱作为梁架与木柱之间的连接构件，起着承上启下、传递荷载、构造连接的作用[5]。通过以木柱圆心为中心在其两侧对称外伸的小木梁进行逐层展开，斗拱将屋架上部传到梁上的荷载集中传递到柱心，最大程度地使木柱承受轴压的受力作用，大幅减小了偏心弯矩对木柱性能的影响，使木柱的承载能力得到了最大限度地发挥。斗拱也具有一定的抗水平侧移能力，主要由木梁之间的层间摩擦力来抵抗。其分解示意图及其在水平地震作用下的消能减震类比图如图3、图4。

图3斗拱拆分示意图

图4斗拱在水平地震作用下消能减震类比图

2.3柱、梁、额枋抗震

在我国古现代木结构建筑设计施工过程中，对于大型的木结构建筑，通常情况下，在木柱的上端横向设置额枋、垫板等，纵向设置木梁及随梁枋等构件。这些双向水平构件通过榫卯连接使柱、梁、枋各构件形成了整体排架结构体系。木结构建筑中，榫卯连接的抗弯刚度与各构件连接节点的变形紧密相关，榫卯连接并不是普通意义的固结刚性节点，而属于半刚性连接节点[6]。木结构中柱、梁构件的材料特性及连接刚度决定了木结构建筑的结构特征周期的相对会很大，引起木结构的自振周期通常与场地卓越周期会相差较大，结构的地震作用反力相对较小的结果。与此同时，由于结构自震周期公式：

可得：结构自震周期与结构自身的总重力荷载成正比，与结构自身刚度成反比。结构自重参数越大，自震周期就越大[7]；结构自身刚度越大，周期越小。而木结构与其他结构体系相比，刚度要小得多，使木结构建筑自震周期进一步增大。由图5可得，木结构地震影响系数处于图中下降段，所以木结构的水平地震作用标准值也相应减小。

α一地震影响系数；αmax一地震影响系数最大值；

η1一直线下降段的下降斜率调整系数；γ—衰减指数；

Tg一特征周期；η2—阻尼调整系数；T—结构自振周期

图5水平地震力影响系数曲线

木结构水平地震作用标准值计算公式如下：

木结构水平地震作用标准值计算简图如图6：

图6结构水平地震力计算简图

2.4侧脚及生起设置

为使木结构建筑的稳定性能不断提高，相关规范规定，房屋各立面的外檐柱均需向内保持一定的倾斜。具体的倾斜程度要视建筑类型而定，一般情况下，在前后立面的倾斜度控制为柱高的1/100左右，在两山墙立面上的控制为8/1000左右[8]，而墙周四个角点的角柱则需要在两个方向都有一定的倾斜度。在制造侧脚时，需考虑要使木柱按“八”字形预先发生倾斜，上部的荷载作用会使木柱上端发生自动向内挤紧的效果，引起额枋中相应的轴向压力和端部集中弯矩作用，促使额枋榫卯的初始状态就具有较强的抗张拉刚度。在遭受地震等短时间横向作用后，即使有部分榫头被拔出一定距离，但外部挠动荷载停止后，向内倾斜的木柱自重及上部荷载作用也会促使卯口和榫头恢复至挤紧状态[9]。侧脚使木结构构件产生的恢复力总是指向整个结构体系的初始平衡位置，在发生地震等破坏性灾难时，使输入结构体系的巨大能量需首先克服木柱倾斜分力做功，使结构具有显著的耗能减振效果。

生起的作用是由当心间向两侧使檐柱的高度依次增加。柱的侧脚设置有效增强了榫卯的抗震消能性能，在木柱的自重及初始荷载作用下侧脚的设置能有效提供柱，梁节点的初始集中弯矩。侧脚和生起的有效设置，使木结构柱架层形成了有效的闭合受力系统，该架构方式能使木柱上部斗拱层和屋盖层的梁架传递给柱端部的荷载分布合理，不易偏心，基本均处于由外向内稍微倾斜挤压的初始状态，有效增强了整个木结构建筑的整体稳定性和抗震性能[10]。

3结语

我国木结构建筑结构体系自形成后，经历了不同时代的发展和演变，逐渐走向成熟和的过程。木结构建筑的受力体系，在地震等突发性横向水平侧力的极端条件下，其结构体系的整体稳定性和抗震性能经过部分地区地震灾害的验证都具有较好的效果。木结构中半刚性连接的节点设计理念，以及在主体结构中应用大量的柔性材料构件，对现代其他结构类型的抗震设计也具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]盛志刚，刘海笑.中国古建筑结构抗震哲学思想探索[J].自然辩证法研究.2008（12）：47-51

[2]李桂荣，郭恩栋，朱敏.中国古建筑抗震性能分析[J].地震工程与工程振动.2004（06）：69-72

[3]徐明刚，邱洪兴.中国明清两代木结构框架抗震试验研究[J].世界地震工程.2014（02）23-26

[4]赵均海.中国古代建筑结构特性研究[M].武汉：武汉工业大学出版社，1999：1-134

[5]李铭，林磊；砖木结构房屋震害分析[J].山西建筑，2013（25）

[6]葛安祥.房屋类木结构古建筑抗震性能分析[R].第二届全国工程结构抗震加固改造技术交流会论文集.2010.6中国会议

[7]熊海贝，徐硕，卢文胜.轻型木结构房屋基本自振周期[J].同济大学学报（自然科学版），2008，36（4）：450-459.

[8]刘峰旗，张海江.轻型木机构房屋的主要建筑材料[J].山西建筑，2008（24）：169-170

[9]单玉坤，苏爱军，秦爱娟.木结构房屋抗震性能的实验研究[J].河北工业大学成人教育学院学报，2007（3）：39-43

[10]刑继胜，王元清，石永久，陈宏.美国多层木结构房屋的应用与设计[R].第六届全国现代结构工程学术研讨会.北京.2006