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中國古建筑木結構力學(xué)研究論文
前言
中國文化博大精深，流傳至今的文化當中包含了大量我國古人的智慧，古建筑可以說(shuō)是當今世界上最偉大的創(chuàng )造發(fā)明之一，從古代起就以其舒適、優(yōu)美和實(shí)用等特點(diǎn)流傳至日韓等國。在當今世界經(jīng)濟飛速發(fā)展的背景下，中國古建筑已經(jīng)成為人類(lèi)世界最寶貴的文化遺產(chǎn)之一。而古建筑中的古木結構是最具特色的一種，中國古代的佛寺及觀(guān)音閣等都以古木結構為主�，F階段加強對該結構的研究對于保護人類(lèi)文化遺產(chǎn)具有重要的意義。近年來(lái)我國涌現出越來(lái)越多的學(xué)者從不同的角度對其展開(kāi)研究，本文將從力學(xué)角度對其研究進(jìn)展進(jìn)行描述。
一、中國古建筑木材力學(xué)性能
青銅和石器時(shí)期，我國的木材資源相當豐富，當時(shí)的生產(chǎn)力和環(huán)境條件下，人們通過(guò)智慧運用木材來(lái)搭建房屋。經(jīng)過(guò)古人不斷的努力，他們意識到了木材搭建房屋的種種優(yōu)點(diǎn)，并逐漸將木結構搭建房屋的技術(shù)和經(jīng)驗流傳了下來(lái)。但是值得注意的是，木結構同其他結構的建筑相同，在建造建筑時(shí)同樣也存在著(zhù)許多問(wèn)題。
(一)材性劣化
我國的木結構古建筑經(jīng)過(guò)上千年的洗禮，至今為止已經(jīng)受到了各種不同的蟲(chóng)蛀及腐蝕，其材性受環(huán)境的影響較大，劣化現象嚴重。在現階段的古建筑木結構力學(xué)研究過(guò)程中，專(zhuān)家們最為關(guān)心的問(wèn)題就是古建筑中的材性劣化問(wèn)題［1］。近年來(lái)我國相關(guān)方面的專(zhuān)家針對木結構的古建筑材性的變化進(jìn)行了仔細的對比和研究，其中有對大概擁有九百年歷史的北岳廟大殿的研究和約有二百年歷史的易昌陵碑樓的研究。經(jīng)對比，專(zhuān)家們總結出木結構古建筑受到環(huán)境和時(shí)間的影響比較嚴重，經(jīng)歷時(shí)間越久的建筑，它們的材質(zhì)更加脆弱，力學(xué)性能更加低下，雖然不同的樹(shù)木種類(lèi)會(huì )使其產(chǎn)生不同的腐蝕程度，但是其變化的整體趨勢是相同的。最初我國對材性劣化的研究方法是應用接種腐朽菌的方式，這種方法能夠促使木材腐朽速度加快，從而進(jìn)行對比，得到想要的實(shí)驗結果，其結果表明不同的木材，其物理及化學(xué)性質(zhì)是按照一定規律進(jìn)行衰變的。
(二)木材的各向異性
木質(zhì)材料最大的特點(diǎn)就是它的各向異性，我國在對木結構的精細化有限元進(jìn)行研究的過(guò)程中，專(zhuān)家陳志勇提出了本構模型，該模型能夠充分反映出木材各項異性中的抗壓能力、彈性及二次應變的硬化在橫紋承壓下的反應等，以編制的方式在A(yíng)BAQUS當中融入木材本構模型，同時(shí)專(zhuān)家還將這一方式在易昌陵碑樓的受力性能研究中進(jìn)行了充分的應用，加強分析了對斗栱等受力性能的有限元。
二、關(guān)鍵節點(diǎn)斗栱的受力機理
我國古代建筑最主要的特點(diǎn)就是殿堂式，其通常擁有三層結構。其中斗栱是鋪作層的關(guān)鍵受力節點(diǎn)。在現階段保護古代建筑的研究過(guò)程中，加強對斗栱受力機理的研究具有重要意義。中國古代建筑有眾多獨特之處，而斗栱就是最主要的特點(diǎn)之一，它最早產(chǎn)生于商周時(shí)期，距今已有三千年的歷史。在建筑當中它最大的作用就是過(guò)渡，是屋頂同柱架之間的部分，建筑屋檐需要靠其進(jìn)行支撐，并促使柱子能夠直接承接屋頂的重量，也可以將屋頂的重量先轉移到闌額上，之后再由柱子承接。
(一)宋式斗栱
在對斗栱進(jìn)行研究的過(guò)程中，宋式斗拱具有重要的研究?jì)r(jià)值，在《營(yíng)造法式》的基礎上，高大峰等研究專(zhuān)家專(zhuān)門(mén)制作了相關(guān)模型，以二等材料計心造八鋪為主，進(jìn)行了水平和豎向兩種加載試驗，得出了斗栱模型在這兩種不同情況下發(fā)生的破壞和載荷以及其位移曲線(xiàn)。在對實(shí)驗的結果進(jìn)行充分分析的基礎上，制定出了不同的模型，例如質(zhì)量彈簧阻尼器模型等。根據一系列的實(shí)驗及模型，最后得出了斗栱性能的結論，即其在兩個(gè)方向上都能夠體現出較高的抗震能力。事實(shí)上，鋪作層的關(guān)鍵節點(diǎn)是斗栱，加強對斗栱的研究有助于了解該層的受力情況。近年來(lái)宋式斗栱模型中的單朵和兩朵受到專(zhuān)家們的青睞，隋龔等專(zhuān)家加強了對這些模型的應用，并進(jìn)行了水平低周重復加載的研究，從而得出總結出不同鋪作在遭受破壞的過(guò)程中所受到的相同的外力情況，以及骨架和水平滯回的曲線(xiàn)狀況。通過(guò)對比和分析，他總結出水平的滑移對鋪作層的破壞最為嚴重，但是值得注意的是該水平滑移具有重要的作用，它能夠進(jìn)行隔振和耗能，這對于木結構的古建筑來(lái)說(shuō)具有重要的作用;同時(shí)經(jīng)過(guò)試驗發(fā)現，平行四邊形是滯回曲線(xiàn)的主要形式，擁有相對飽滿(mǎn)的滯回面積，這一現象表明鋪作層當中最主要的特征就是滯回耗能較強。
(二)清式斗栱
近年來(lái)在清式斗栱的研究過(guò)程中，專(zhuān)家趙均海等主要以三種模型為主進(jìn)行了實(shí)驗，有效測量了其動(dòng)力特性和水平向重復加載。通過(guò)反復的實(shí)踐，最后發(fā)現了清式斗栱在不同方向上會(huì )發(fā)生的位移曲線(xiàn)，還加強研究了它的動(dòng)力特征在不同邊界條件下產(chǎn)生的變化。還有專(zhuān)家運用了三維半剛性節點(diǎn)，這一單元模型可以按照全部結構中自振頻率應用Simplex手段定位模型的系數范圍。該模型是古木結構整體受力性能有限元分析的重要理論基礎。
三、結論
近年來(lái)，世界各國經(jīng)濟取得了巨大的進(jìn)步，人類(lèi)的文明取得了極大的進(jìn)步，在這種情況下，人們越來(lái)越注重對古代文化遺產(chǎn)的保護。在我國文化遺產(chǎn)當中，古建筑木結構具有重要的保護價(jià)值。近年來(lái)，我國專(zhuān)家學(xué)者加強了對中國古建筑木結構力學(xué)的研究，希望通過(guò)研究，對其進(jìn)行有效的保護，促使我國古建筑文化得以傳揚，同時(shí)向世界展現出我國古代人類(lèi)的智慧。隨著(zhù)研究的不斷進(jìn)展，專(zhuān)家們從材性劣化和木材的各向異性對中國古建筑木材力學(xué)性能進(jìn)行了充分的研究，同時(shí)對宋式和清式斗栱的特征進(jìn)行了深入分析。
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