古建木構枓栱的破壞分析及承載力評定
.. .. 枓栱是中國古代木結構特有的結構。它不但有優美華麗的外形, 還有著良好的力學特性和隔振性能。在中國古代木結構建築中, 由多朵枓栱協同工作構成鋪作層。它良好的耗能、隔振性能為現存古建築歷經多次地震而不倒起到了重要的作用。
1.. 試驗
為了研究枓栱本身的結構性能, 課題組按照宋..營造法式..制作了枓栱模型進行豎向軸壓試驗(如圖1示)。模型按照殿堂二等材柱頭鋪作, 用山榆木制作, 縮尺比例1..3. 52。
試驗具體測定了山榆木這種木材有關的物理力學特性
為:
fy = 10. 3 N /mm2; fm = 79. 52 N /mm2; fc = 7. 1 N /mm2。
試驗枓栱構件枓口寬a = 50 mm。
2.. 枓栱各構件的破壞及承載力驗算
2. 1.. 長跳華栱劈裂破壞對於層數較多的古建築, 例如閣、塔結構的柱頭枓栱, 上層荷載會通過上層柱心直接下傳而造成軸心壓力很大。豎向荷載主要通過中軸線傳遞。華栱中部為橫紋受壓最大區, 中部截面有凹槽, 截面面積小, 所以也是最薄弱區。隨著荷載的增加, 先是受壓區橫紋達到強度極限, 產生大量的變形,
但構件仍能繼續承載。繼續加大荷載, 構件有明顯的豎向變形和彎曲變形, 最後構件中部在橫紋受壓、橫紋剪斷和順紋彎拉的復雜應力作用下折斷。圖2為課題組做的枓栱軸壓試驗中長跳華栱的破壞照片。
長跳華栱抗剪承載能力按下式驗算:
..=
V
A
.. f v
式中: V為最大剪力值(N );
A 為受剪構件的淨截面面積(mm2 );
..為受剪應力最大值(N /mm2 );
fv
為木材橫紋抗剪強度( N /mm2 );
即: V.. fvA
若A 取構件中部截面最小處A = 1. 28a2 mm2,
則: V.. 1. 28a2fv
2. 2.. 短跳華栱栱頭劈裂破壞
對於層數較多的古建築例如閣、塔結構的柱頭枓栱, 上層荷載會通過上層柱心直接下傳而造成軸心壓力很大。第一跳華栱栱頭剪應力最大處, 木材纖維發生橫紋剪切破壞,
短跳華栱抗剪承載能力按下式驗算:
V .. fvA
若A 取構件剪力最大處A = 2. 1a2 mm2, 則;
V.. 2. 1a2 fv
式中: a 為枓口寬度
2. 3.. 短跳華栱的彎剪斷裂破壞
短跳華栱是主要的受彎構件, 對於層數少的古建築例如單層殿堂、亭榭等結構中的枓栱所受的軸心壓力小所以承受豎向荷載時各枓受壓, 各栱主要以栱臂受彎為主。荷載較小時, 栱具有良好的彈性和韌性。隨著荷載的增加, 栱的彎曲變形增加, 最後承受彎矩和剪力較大的短跳華栱達到承載
.. 工程結構..
力的極限而破壞。華栱抗彎承載能力按下式驗算:
..m =
M
W n
.. fm
式中: M 為最大彎矩值( N..mm ); W n 為構件的淨截面
抵抗矩( mm3 ); ..m 為受彎應力最大值( N /mm2 ) ; fm 為木材
抗彎強度( N /mm2 )。
M.. fmWn
W n 為取構件中間截面缺損處的淨截面抵抗矩(Wn =
2. 05a3 mm3 );
M.. 2. 048a3fm
2. 4.. 栌枓的劈裂破壞
栌是承受豎向荷載最大的構件, 先是受壓區橫紋達到極限, 產生變形, 但構件仍能繼續承載。隨著荷載的增加, 受壓區木材在橫紋受壓和橫紋剪切的應力作用下斷裂。構件劈裂破壞。
栌枓為受壓構件的承載能力按下式驗算:
.. c =
N
An
.. fc
式中: An 為受壓構件的淨截面面積( mm2 ); N 為最大壓
力值( N); f c 為木材橫紋抗壓強度( N /mm2 ) 。
N.. Anfc
.. .. An 取枓底面積An = 5. 76 mm2;
N.. 5. 76f c
3.. 枓栱承載力驗算與試驗對比分析
按照各構件破壞計算所得枓栱承載力N 結果按照各構件破壞計算所得枓栱承載力N 結果
構件名稱長跳華栱短跳華栱栌枓枓栱承載力
( kN )
66. 75 kN
按抗剪驗算109. 5 kN
按抗彎驗算135. 7 kN
102. 25 kN
.. .. 在試驗中荷載加到140 kN 枓栱才破壞。這是因為木材橫紋承壓的特點是受力時變形較大、荷載還可以繼續增加。單個構件雖然已到了承載力極限, 但枓栱整體依然可以繼續承受荷載。
4.. 結論
枓栱是一種十分獨特的集榫卯技術大成的結構。它是各個枓和栱以榫卯的形式連接, 縱橫交疊而成。通過枓栱承載力驗算與試驗對比分析, 可以得出: ( 1) 枓栱有良好的豎向承載力及變形能力; ( 2) 枓栱不會因內部單個構件破壞而破壞; ( 3)雖然單個構件已到了承載力極限, 但枓栱整體依然可以繼續工作。
參考文獻
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國家風景名勝區和歷史文化名城保護補助資金管理有新規
近期, 財政部制定並印發了..國家級風景名勝區和歷史文化名城保護補助資金使用管理辦法.. ( 以下簡稱..辦法.. ),
規范和加強國家級風景名勝區和歷史文化名城保護補助資金的使用管理, 提高資金使用效益。
根據..辦法.., 國家級風景名勝區保護補助資金使用范圍包括風景名勝區規劃編制, 世界遺產保護整治和申報, 景區
內綠化、林木植被、古樹名木的保護等。歷史文化名城保護補助資金使用范圍包括歷史文化街區保護規劃編制、歷史文
化街區核心保護范圍內歷史建築的修繕。
各省(自治區、直轄市)申報的國家級風景名勝區保護補助資金補助項目原則上每年不超過兩個( 國家級風景名勝
區達十處以上的省份原則上不超過三個) , 歷史文化名城保護補助資金補助項目原則上繁年不超過一個。
專項補助資金項目由當地建設行政主管部門負責監督實施並組織驗收; 專項補助資金使用情況接受財政部駐各省
(自治區、直轄市)財政監察專員辦事處、地方財政部門、審計部門的檢查監督。
..辦法..同時對國家級風景名勝區和歷史文化名城保護補助資金的申報時間、申報程序等做出了詳細規定。
( 摘自..中國建設報.. )