淺談抬梁式古建筑屋蓋的受力特點精品

1、淺談抬梁式古建筑屋蓋的受力特點林錦滔*（福建九鼎工程質(zhì)量檢測有限公司，福州350002）摘要：中國傳統(tǒng)抬梁式古建筑的坡屋頂屋架需承受較大屋蓋自重荷載，特別是重檐歇山頂建筑，但其仍能510152025303540夠具有良好的跨越能力。古代匠師通過選材保證構(gòu)成屋架的桿件具有良好的強(qiáng)度及剛度，并對屋架結(jié)構(gòu)的 形式優(yōu)化使得其具有較為良好的受力模式。古建筑木屋架是如何受力，其與桁架式木屋蓋的屋架對比有什 么特點，本文通過對兩種屋架及同跨度梁在相同荷載作用下，構(gòu)成屋架和橫梁的最底層桿件內(nèi)力進(jìn)行分析 比較，揭示它們的受力特點。表明桁架結(jié)構(gòu)具有較好的受力特點，古建筑屋架雖未能如桁架一樣受力優(yōu)越, 但與同跨度梁

2、相比，使得承受內(nèi)力大大減小。關(guān)鍵詞：古建筑；受力；桁架中圖分類號：TU366.2The mechanical characteristics of ancient building roofLIN Ji ntao(Fujian the Jiuding Engineering Quality Testing Co., Ltd ., Fuzhou 350002)Abstract: China traditional pitched roof of ancient buildings which need to bear a larger roof weight load, such as doub

3、le eaves culmen, still be able to have a good leap ability. The ancient craftsmen guarantee the quality through selecting higher lever member constituting the roof truss which has a good strength and stiffness, and the form of the roof truss structure is optimized so that it has relatively good forc

4、e modes. What is the characteristics of ancient building truss when it compares with trussed timber roof. In this paper, the two roof trusses and the same span beam are compared under the same loads.The paper compares their force characteristics of the bottom member which is constituted the roof tru

5、sses and beams.Truss structure has good mechanical characteristics which is superior to ancient buildings. However, compared with the same span beam,ancient building truss reduce internal forces greatly.Key words: Ancient building; Force; Truss0引言為分析抬梁式傳統(tǒng)古建筑屋頂?shù)奈菁?以下簡稱傳統(tǒng)木屋架)受力特點，本文從構(gòu)成木 屋架所選用的材料入手，分析木

6、材的材料性能，將其與鋼、砼、木、砌塊、土等等這幾大類 材料的強(qiáng)度、彈性模量做對比，表明木材具有良好強(qiáng)度、剛度及跨越能力12。分析傳統(tǒng)木屋架與桁架及同跨度梁在相同荷載作用下，力流在構(gòu)架內(nèi)部的傳導(dǎo)，從而揭示傳統(tǒng)木屋架的 受力特點。1木材的力學(xué)性能材料是構(gòu)成建筑的基礎(chǔ)，因此對建筑材料的選用至關(guān)重要，如何選用一種既易得又具有 足夠力學(xué)性能的材料是設(shè)計師需要考慮的問題。樹木是自然界的建筑師，發(fā)達(dá)的根系是它的 基礎(chǔ)，圍徑不過半米的樹干構(gòu)成它的主體，支撐著高聳云天的巨冠。在古代社會混凝土未出 現(xiàn)的情況下，木材成為匠師們的首選。本文將常用的建筑結(jié)構(gòu)組成材料包括鋼、砼、木、砌 塊、土等等這幾大類作對比，表1列出

7、幾種材料的力學(xué)性能指標(biāo)。作者簡介：林錦滔（1984年-），男，工程師，建筑結(jié)構(gòu)檢測.E-mail: 718777764550556065表1材料力學(xué)性能Tab.1 Mechanical Properties of Materials材料鋼3(Q235)砼4 (C30)木5 (T C15A)砌體土 （粉質(zhì)粘土）抗拉強(qiáng)度（MPa）215.0014.3013.001.500.15抗壓強(qiáng)度（MPa）215.001.439.000.13/彈模(MPa)20.60x10 43.00x10 41.00x10 40.24 X10 44.97注：表1中砌體表示為 MU10燒結(jié)磚和 M5砂漿砌筑而成砌

8、體的性能；土的力學(xué)性能取自某工程地基中粉 質(zhì)粘土，抗壓強(qiáng)度一欄所列為地基承載力特征值，彈模一欄所列為壓縮模量。從表1中不難發(fā)現(xiàn)，木材具有良好的力學(xué)性能，TC15A木材的力學(xué)性能可以與C30砼相媲美，甚至木材的抗拉強(qiáng)度較之砼更為優(yōu)良。鋼材的廣泛應(yīng)用是在18世紀(jì)歐洲的產(chǎn)業(yè)革命之后，混凝土是在1867年由法國的園藝師莫尼哀發(fā)明的，因此木結(jié)構(gòu)在古代社會成為我國建筑構(gòu)成材料的首選。混凝土的使用最高壽命假使能有100年，而保護(hù)良好的木結(jié)構(gòu)則有可能上達(dá)千年，比如福州的華林寺，始建于北宋乾德二年（964年），主要構(gòu)件為保存九百多年前的原物。其驚人的耐久性和近乎完美的力學(xué)性能（同時具備良好的抗拉壓強(qiáng)度），贏 得

9、我國古代建筑匠師們的青睞，因此其在我國古代社會得到了廣泛地應(yīng)用則不難理解。2幾種木屋架的受力特點2.1桁架式木屋架的受力特點木屋架桁架在橫向荷載作用下，各桿件件全截面受壓或是受拉，充分發(fā)揮構(gòu)件強(qiáng)度，受 力性能優(yōu)越。鋼結(jié)構(gòu)廠房車間屋架、桁架橋梁等都是桁架在結(jié)構(gòu)運用中的具體表現(xiàn)形式。五 六十年代建造的一些教學(xué)樓 2、大禮堂、影劇院采用的也正是大跨度桁架式木屋架，木材輕 便、力學(xué)性能優(yōu)越、跨越能力強(qiáng)。桁架屋蓋的節(jié)點計算時簡化為鉸接，忽略彎矩和剪力的作 用，桿件主要承受軸力作用，截面受力均勻，對材料的利用率較高，受力合理。2.2傳統(tǒng)木屋架受力特點傳統(tǒng)木屋架的受力是通過屋架的最上層小立柱傳遞給橫梁，橫梁

10、再將荷載傳遞給下一層 小立柱，如此循環(huán)，最下面一層小立柱再將荷載傳遞給最底層橫梁。每層荷載的傳遞都使豎 向荷載離屋架支座的距離越來越近，使得橫向荷載對底層橫梁產(chǎn)生的彎矩減小。70圖2傳統(tǒng)木屋架示意圖Fig.2 Traditional timber roof3屋架內(nèi)力計算比較將兩種屋架及同跨度梁進(jìn)行內(nèi)力分析，比較各自的受力特點。假設(shè)屋架及梁的跨度為7518m，每道檁條作用在屋架節(jié)點上的荷載為30kN，所有節(jié)點簡化為鉸接點，同時屋架具有足夠的水平方向的穩(wěn)定性，桁架式木屋架的計算簡圖如圖3,傳統(tǒng)木屋架的計算簡圖如圖4,與木屋架同跨度梁的計算簡圖如圖5，三種計算簡圖情況下最底層水平橫梁的最大內(nèi)力列于表

11、2并做比較。表 2表明桁架式木屋架截面主要承受軸力，傳統(tǒng)木屋架截面受力模式雖不如 桁架優(yōu)越，但與同跨度橫梁相比彎矩明顯減小。Fig.3 Trussed timber roof diagram30k859095100105110圖4傳統(tǒng)木屋架計算簡圖Fig.4 Traditional wooden house frame diagram表2最底層橫梁內(nèi)力Tab.2 Internal force of the bottom beam計算模式軸力（kN）彎矩（kNm）剪力（ kN）桁架式木屋架22500傳統(tǒng)木屋架022575同跨度梁0405754結(jié)論通過上文的介紹及對幾種木屋架和橫梁內(nèi)力的計算分析比

12、較表明：（1）木材具有良好的力學(xué)性能及耐久性，某些強(qiáng)度等級木材的力學(xué)性能可以與砼相媲 美，甚至木材的抗拉強(qiáng)度較之砼更為優(yōu)良，其在役年限也可超過混凝土，使得其在我國古代 社會得到了廣泛地應(yīng)用。（2）桁架式木屋架，在橫向荷載作用下，各構(gòu)件全截面受壓或是受拉，充分利用材料 強(qiáng)度，受力性能優(yōu)越。（3）傳統(tǒng)木屋架通過小立柱將檁條荷載層層向下傳遞的同時也使荷載往屋架支座靠近, 使得橫向荷載產(chǎn)生彎矩的力臂減短，作用在最底層的橫梁彎矩明顯減小，受力也較為合理。參考文獻(xiàn)(References)1 梁超.輕型木屋架在上海市平改坡工程中的運用J.建筑，2009,（ 17）： 38-402 張宏.哈爾濱市某校木屋蓋結(jié)構(gòu)的可靠性鑒定及加固改造J.結(jié)構(gòu)工程師，2010,26（4）:107-1133 北京鋼鐵設(shè)計研究總院，GB 50017-2003.鋼