木构架承重体系结构性能分析范文

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《广西大学学报》2016年第一期

摘要:

为了给显仁殿的修缮提供科学依据，建立了显仁殿整体有限元数值模型，对其进行了正常使用条件下的结构性能分析。结果表明:木结构强度富余较大，结构处于安全状态;屋盖檐部因出挑距离较大而产生变形，最大值11.24mm发生在明间飞椽末端;明间屋盖下金檩、檐檩跨中变形较大，引起屋面局部下沉，是结构薄弱部位;桃尖梁、抱头梁受集中荷载作用，在跨中产生较大弯矩;五架梁布置合理，弯矩分配均匀;木构架榫卯节点连接处和重檐金柱上半部分受力复杂，是木构架承重关键部位，易因木材槽朽、开裂等残损引起构件承载力不足，会直接影响结构的安全性能，需要采取相应的加固措施。所得结论将为显仁殿的维修加固提供科学依据，同时可为同类木结构的修复提供参考。

关键词:

古建筑;木结构;结构性能;有限元分析;静力分析

太昊陵位于河南省淮阳县中部，是集陵和庙为一体的文物建筑群。据《陈州府志》记载:“太昊陵庙在春秋时已有陵，汉以前有祠，后历代多有兴废”，现陵内主要建筑建于明朝，距今500余年。太昊陵庙按照皇家陵墓兴建，布局完整，建筑式样丰富，有歇山、悬山、硬山形式，单檐、重檐俱全，整个建筑群主要贯穿在南北垂直中轴线上，气势雄伟。显仁殿则位于太昊陵庙内，建于公元1462年，为重檐歇山式建筑，立于直壁式台基之上。整个建筑由抬梁式木构架承重，砖墙布置于重檐金柱之间，与檐柱之间形成回廊。屋面采用灰色筒瓦覆顶，四角轻盈翘起，气势非凡。然而由于年久失修，显仁殿部分重要结构构件已出现不同程度的残损。为了加固维修的需要，本课题组对太昊陵庙内主要建筑进行实地调研，通过数值模拟分析方法对其进行结构计算，了解结构受力变形特点并找到结构薄弱部位，为其维修加固提供技术支持。

1结构布局及残损现状

1.1结构布局显仁殿平面呈长方形，其面阔七间，总长25.5m，总宽17m，通高12.8m。整个结构由里金柱、重檐金柱和檐柱三圈木柱支撑，檐柱与重檐金柱之间以抱头梁相连，并在重檐金柱间施用承椽枋，将檐椽搭置于承椽枋上，形成第一重屋面;重檐金柱上支撑有斗拱，斗拱上安装桃尖梁，梁末端开榫插于里金柱卯口之中，里金柱柱顶支撑五架梁，组成进深方向的基本构架，共同承载第二重屋面(如图2～3所示)。

1.2残损现状显仁殿历经数百余年风雨，迄今保存较为完好，证明其整体性能较好。然而由于年久失修，加之木材易腐蚀、耐久性差等特点，显仁殿已出现多处残损现象。本课题组于2014年8月对太昊陵进行了为期16d的实地调研，统计调研数据得其主要构件残损情况如表1所示。由表1可知，木材糟朽是构件残损的主要病害，其主要发生在木构件表面，糟朽程度由外向内依次降低，使得木构件横截面有效受力面积减小、承载力降低;在斗拱中，部分厢拱变形、小斗残佚，使斗拱整体性能降低，在荷载作用下变形加大，导致屋面局部下沉，瓦面、灰背开裂，造成漏雨;屋面本身构造复杂，加之维护不当，已滋生杂草，致使筒瓦、板瓦破裂，雨水渗透进入屋内，望板、椽子等构件严重槽朽。上述残损现象已影响到了结构的整体性能，若不加以合理的修复，会导致结构进一步破坏。本文以显仁殿整体为研究对象，采用有限元软件ANSYS建立三维有限元模型，对其进行结构计算，根据计算结果研究结构受力变形特点，找到结构薄弱部位，为维修加固提供科学指导。由于淮阳县抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类，其设防烈度不高，按照《建筑抗震设计规范》(GB50011－2010)的要求，本文在此仅进行结构的静力分析。

2参数选取及模型建立

2.1参数选取显仁殿木材均为榆木，由于木材为各向异性材料，各个方向的力学性能均有很大差别，因此根据木材材性实验［1-2］选择木材各向弹性模量、剪切模量、泊松比等参数如表2所示，木材密度取为650kg/m3。考虑到显仁殿年代久远、木材材性退化及长期荷载作用等因素，根据现行《古建筑木结构维修与加固技术规范》(GB50165－92)，对木材弹性模量及设计强度乘以0.75的调整系数。屋顶是由各种材料层叠而成(图4)，各种材料交互布置，形成一“刚性板”。因此，将椽子及其以上材料等效为一整体屋面板［3-4］，用等效重量法将其重量及屋面活荷载等效为单元密度。屋面各层厚度及重量［5］如表3所示，活荷载取为0.7kN/m2，经计算屋面板密度取值为5672.8kg/m3。

2.2模型建立采用有限元软件ANSYS建立有限元模型，其中Beam189单元模拟梁柱，Shell181单元模拟屋面板，Combin39单元模拟榫卯节点及斗拱［11-12］。由于本文只考虑竖向荷载，维护砖墙对木构架受力无影响，因此不考虑维护砖墙［13］。木柱底部无管脚榫，柱底约束条件采用铰接［14-15］。由此建立显仁殿三维模型如图6所示，其中x为木结构水平纵向，y为水平横向，z为竖向。

3计算结果分析

3.1位移分析

对显仁殿进行自重及屋面活荷载作用下的静力分析，得显仁殿屋盖、木构架的总位移云图分别如图7～8所示。

3.1.1屋盖位移屋檐外侧总位移较大，沿屋顶坡面向上位移值逐渐减小，以明间上部屋盖位移变化规律最为明显。其中最大位移发生在明间上层檐跨中飞椽末端，位移值为11.24mm;其次为山面上层檐中部飞椽末端，位移值为10.58mm。这是因为在古建筑木结构当中，屋盖作为室内外空间的重要围护结构，考虑了防雨、保温等功能要求及美观等因素，往往造成屋盖构造复杂、重量大;再则，房屋中间部位面宽较大，屋檐向外出挑形成悬臂构件，使屋檐飞椽末端变形加剧。故屋檐是结构薄弱部位。因此，应加强屋檐上各类构件相互之间连接措施，尤其是檐椽与檐步架的连接，防止其产生倾覆破坏;对檐椽、飞椽等承重构件发生槽朽、开裂等现象，应及时对其进行加固维修，必要时可进行更换。而在屋檐转角部位位移值较小，主要是由于在木构架转角部位木柱间距小，又有抱头梁、穿插枋等构件相互连接，有效地提高了悬挑角梁的抗弯刚度。

3.1.2檩条位移檩条相对屋盖位移值较小，数明间上层檐檐檩跨中位移最大，位移值为4.93mm。沿房屋纵向提取上层檐前檐檩各向位移如图9所示。由图9可知:各檐檩总位移变化趋势呈波浪形，弯曲变形对檩条位移起控制性作用，且以竖向位移为主、水平向次之，而沿檩条轴线方向位移很小，几乎为零。沿檩条轴线和屋顶坡面方向布置有椽子、望板等构件，能很好地限制檩条在此方向的变形;而在其他方向，由于坡屋面的存在，屋顶荷载对檩条产生水平分力及竖向分力，使得檩条朝室内方向产生弯曲变形。由图10中明间檩条跨中位移可知，随着屋面高度的降低，檩条跨中竖向位移及水平位移逐渐增大，说明上部荷载沿屋面逐步向下传递，达到上层檐檐檩时最大。因此，应提高檐檩、下金檩等构件的抗弯刚度，防止由于檩条产生过大弯曲变形而使屋面局部下沉。可在相邻檩条之间设置若干拉杆，通过拉杆传递檩条之间的荷载，把檩条联系起来成为统一整体，使其位移保持一致。

3.1.3木构架位移对于木构架，提取图2中的④轴线木构架总位移如图11所示，可知:木构架位移值较小，主要以平面内弯曲变形为主。在柱类构件当中，檐柱、里金柱中间部位均朝结构内部产生不同程度的弯曲变形，其中以檐柱变形最为明显，其底部与地面铰接，说明在竖向荷载作用下檐柱柱顶产生集中弯矩，造成檐柱向内侧弯曲;重檐金柱受到上层檐、下层檐的双重作用，其位移相对较小。在梁类构件中，三架梁与五架梁结构布置合理，梁截面较大，弯曲变形小;抱头梁和桃尖梁受跨中集中荷载作用，加上梁截面宽度较小，导致其弯曲变形较大，但根据现行《古建筑木结构维修与加固技术规范》(GB50165－92)，其值均小于l2/2100h(l为梁计算跨度，h为梁高)，处于安全范围之内。

3.2内力分析

3.2.1檩条受力分析以明间上层檐檐檩为例，提取其各项应力如图12～13所示。由图12、图13可知:在屋盖荷载作用下，檩条剪力呈线性变化趋势，弯矩呈抛物线形，檩条跨中及端部产生较大弯矩。是由于檩条端部通过榫卯连接方式搭置于梁架之上，在檩条端部形成半刚性节点，对檩条两端的转动有一定的约束作用，有效地减小跨中弯矩，檩条受力更趋近合理化。由檐檩受力可知，其跨中最大弯矩折算成正应力为2.3MPa，小于木材顺纹抗拉设计值6.0MPa，说明檩条强度富余度较大。对于檩条端部，由于开榫，截面受力面积减小、截面产生突变，造成应力集中。故对檩条端部应进行可靠性鉴定，对端部发生槽朽、开裂的檩条应及时予以维修加固，如更换榫头、用钢箍箍紧等。

3.2.2木构架受力分析木构架是房屋主要承重部分，由分析结果可知明间两侧木构架受力最大，因此本文提取图2中的④轴线木构架主要内力如图14～16所示。①轴力分析在柱类构件当中，均表现为压力，由上到下逐渐增大。以里金柱压力最大，重檐金柱次之，其最大值分别为198kN和174kN，其荷载通过基石传向地基。在梁类构件当中，轴力均较小。其中五架梁轴力为72kN，以剪力形式作用于柱顶馒头榫并向下传递，而柱顶馒头榫一般较小，因此在此部位易产生较大剪应力导致馒头榫破坏。可在五架梁侧面用铁件拉紧梁与柱进行加固，通过铁件传递部分剪力，以减小馒头榫荷载。②弯矩分析木柱底部弯矩为零，沿柱身向上均逐渐增大，其中以里金柱柱顶弯矩最大，弯矩值为24.49kN•m。主要是由于木柱与其他构件以半刚性榫卯连接，其上部转动受到一定限制。对于五架梁，由于举架机制及梁端榫卯连接，其弯矩被分配到梁的各个截面，有效地提高了梁的承载能力。而抱头梁和桃尖梁在跨中受集中荷载作用，弯矩值较大。③剪力分析剪力较大区域主要分布于五架梁、桃尖梁、抱头梁及里金柱柱顶，其他构件剪力较小。由于五架梁搭置于里金柱柱顶，其剪力主要以压力形式传向木柱。桃尖梁、抱头梁剪力通过榫头向下传向柱类构件，但由于榫头截面比梁截面要小许多，易造成榫头抗剪承载力不足，且榫头底面局部抗压，易导致榫头横纹压缩破坏。梁类构件的榫头是薄弱部位。在维修加固时，应注意榫头是否松懈、存在裂缝及严重变形等问题。若承载力不足，应直接更换构件或剔除损坏部分更换榫头，再用铁箍加固，也可在梁端下侧与柱相交处通过设置雀替等构件传递剪力。④木柱横截面最大应力提取檐柱、重檐金柱和里金柱横截面最大应力如图17所示，其中横坐标为柱横截面离地面高度。由图17可知，檐柱和里金柱横截面最大应力变化比较稳定，在柱下半部分以轴向应力为主，上半部分由轴向应力和弯曲应力共同控制。而重檐金柱上下应力变化差异很大，其柱底应力为1.62MPa，由轴力引起;柱顶应力为5.18MPa，主要由弯矩引起，为典型的大偏心受压构件，其应力值均小于木材顺纹抗拉强度设计值6.0MPa，但由于显仁殿年代久远，木材材性有所退化，且部分截面卯口进一步削弱其承载能力，故必要时需对重檐金柱进行可靠性鉴定。

4结论

本文采用有限元数值分析方法，建立太昊陵显仁殿结构整体有限元模型，对显仁殿进行自重及活荷载作用下的结构性能分析，得出以下结论:①显仁殿屋盖檐部向外出挑距离较大，在竖向荷载作用下飞椽末端向下产生较大变形，其值为11.24mm，屋檐是结构薄弱部位，易引发局部残损，对因此而导致承载力不足或大变形的椽子应及时予以维修加固，必要时应进行更换。②明间面阔较大，且屋面荷载有沿坡面向下传递之势，致使上层檐下金檩、檐檩跨中产生较大位移，引起屋面局部下沉，产生较大集中荷载，易引发结构残损，故下金檩、檐檩是结构薄弱部位，应提高其抗弯刚度，防止檩条产生过大变形。③檐柱、里金柱和重檐金柱下半部分以轴力为主，受压力最大;重檐金柱上半部分以弯矩为主，为典型的大偏心受压，对木材槽朽及存在卯口的截面易因应力较大而引发局部破坏，应对该部位进行可靠性鉴定。④木梁以弯矩和剪力为主。五架梁因举架布置合理，弯矩被分配到梁的各个截面，有效地提高了梁的承载能力;桃尖梁、抱头梁等构件受到上侧瓜柱作用，在跨中产生较大弯矩。⑤对于榫卯节点，榫头是传递剪力的重要部位，易发生抗剪和横纹抗压承载力不足，导致榫头松动、开裂及严重变形等残损现象，应及时对其进行加固维修，必要时可更换构件。

作者：童丽萍 邬伟进 单位：郑州大学 土木工程学院