木结构古建筑的特性分析

中国的古建筑在我国拥有悠久的历史，也是中华文明的重要组成部分。我国的古建筑数量众多且蕴含丰富的历史文化信息。现在随着国家对古文物、古建筑的重视程度越来越高。因此，我们需认真研究古建筑木结构的结构特性。从而使我们能够更好的保护和修复木结构古建筑。本文简单的从木结构古建筑的材料和结构进行了简单的分析。

　　一、木材料的特性分析
　　木材的优点：
　　1、质量轻并且坚韧
　　木材是质量轻耐压能力强的材料，其密度金属、水泥等小很多。钢铁的重量强度并没有木材的大。
　　2、比较容易加工
　　木材相比于其他材料更易于加工，人们不必使用大型的加工设备就可以完成对木材的加工。
　　3、自然美
　　木材是大自然的产物，因而其具有一种钢筋、水泥无法媲美的自然美。
　　木材的缺点:
　　1、膨胀伸缩的较严重
　　木材受到周围环境的湿度和温度的影响较大。木材受到影响后会使其弯曲变形，从而影响古建筑的整体结构。
　　2、容易被腐蚀
　　木材主要是由有机高分子化合物组成，其受到昆虫和真菌的腐蚀较严重。腐蚀是古建筑的破坏主要原因。
　　3、极容易燃烧
　　木材相比于其他材料燃点非常的低,一般在100～200摄氏度就开始分解燃烧。
　　在古代并没有像现代的钢筋，水泥等材料。因而，木材成为了当时的主要的建筑材料。木材的材料性质不同于其他的材料，所以木材承受力的特性与其他材料承受力的特性有着本质的区别。木材是由天然的有机高分子组成，主要成分中碳约占40%，氢约占6%，氧约占42.5%，其余的是0.5%以下的氮和1%以下的矿物质成分。这种比例的有机高分子组合使其同时具有弹性和黏性两种截然不同的机理的变形。如果木材长时间停留在受力的情况下木材将会慢慢的变形，若所承受的力变小时，经过一段时间后，木材的变形就不再增加了。当木材所承受的力超过某个极限时，木材料的变形量将会和时间成正比，这种现象知道木材被压断是才结束。所以，我们需从木材料的弹性和黏性同时考虑来讨论木材料的变形情况。
　　我国现存的木结构古建筑已经使用了几百甚至上千年，由于同时受周围环境和时间的影响，木结构材料通常会发生腐蚀的情况，从而降低了木材料所能承受力的大小的性能，最终会使古建筑木结构遭到破坏和承受力的强度减小。古建筑木结构木材料的性能降低会直接影响到木材料的强度和木结构的使用寿命。
　　为了弄明白木材料的材料特性和古建筑木结构变形的关系，我国著名的结构科学家陈国莹曾经分别在1977年和1982年利用了我国古建筑维修时换下来的旧木材结构进行了木结构的受力分析试验。试验中主要试验了横纹和顺纹的冲击、拉弯、硬度和抗压强度。从而得出了我国古建筑木结构中的木材料不论年代其材料的变形情况基本上是相同的结论。造成我国古建筑木结构构件发生断裂，弯曲变形等破坏的只要原因是横纹抗压强度衰减和抗拉强度的百分比增大。
　　在制订《古建筑木结构维护与加固技术规范GB 50165 92，1992》时编制人员我国大部分地区的古建筑旧木构件进行了实际的考察。对柏木（河北易县昌陵大牌楼，约200年）、落叶松（山西应县佛宫寺，约920年）和云杉（河北曲阳县北狱庙大殿，900余年）对这三种木材料进行了新木材和旧木材的多项材料性能指标的对比试验。试验结果显示，在柏木的力学指标中顺纹抗压强度和弹性模量降低约15% ，抗弯曲强度降低约30%。落叶松的顺纹抗压强度和弹性模量降低约20%，抗弯曲强度降低约13%。云杉木材的弹性模量降低约30%，顺纹抗压强度降低约为20%，抗弯曲强度降低了约为40%。
　　从以上的调查试验可以得出结论，由于木材材料不同，各木材的木材性能指标也大不相同。目前我国还没有充分的研究出各木材材料使用后的力学性能的变化规律。所以，我国今后的古建筑研究的重要内容是对各木材材料性能变化的研究。
　　二、古建筑木结构的结构特性
　　中国的古建筑是以木构架为主，构成了富有弹性的框架。这种木结构的最早开始于商、周时期，在漫长的发展岁月中逐渐形成了以抬梁、穿斗、井干为主的三种不同的结构方式。
　　1、抬梁式
　　抬梁式是指在立柱上架梁，又在梁上抬梁的结构。其主要应用于大型的建筑物，例如：宫殿、庙宇、寺院等。
　　2、穿斗式
　　穿斗式是指用穿枋把一排排的柱子穿起来成为排架，然后用枋连接而成，固称之为穿斗式。其多应用于民间和小的建筑物。
　　3、井干式
　　井干式是指用木材交叉堆积而成，其形状像井故而得其名。这种结构比较简单因此应用比较少。
　　木构架结构有很多优点，首先，木结构恰到好处的分开了维护结构与承重结构，承重与围护结构分工明确，屋顶的重量完全由木构架结构来承担，外墙起遮挡阳光、隔热防寒的作用，内墙起分割室内空间的作用。由于墙壁不承受屋顶的重量，这种结构赋予了建筑物以极大的灵活性。其次，有利于防震、抗震，木构架结构很类似今天的框架结构，由于木材具有的特性，而构架的结构所用斗拱和卯又都有若干伸缩余地，因此在一定限度内可减少由地震对这种构架所引起的危害。
　　中国古代建筑的屋顶形式丰富多彩。早在汉代已有庑殿、囤顶、悬山、歇山、攒尖几种基本形式，并有了重檐顶。以后又出现了拱券顶、十字坡顶、盂顶、勾连搭、单坡顶、穹窿顶等许多形式。在古建筑中屋顶往往采用较大的出檐是为了更好的保护木构架，。但出檐也有它的缺点，出檐有碍光线照射到屋内，以及屋顶雨水流下出檐时极易冲毁台基，人们为了克服这一缺点采用了屋面举拆、屋角起翘，或者是反曲屋面于是屋顶和屋角显得更为活泼轻盈。
　　中国的古建筑从结构的角度看来，与我们现代的“框架”结构基本相似，两者最大的不同就在于其节点的构造不同。其中斗拱当属于最复杂的节点。斗拱在我国拥有两千多年的历史，其主要由一系列木构件纵横穿插、层层相接而成的。在较大或大型的建筑物中柱子和屋架之间的承接过渡部分主要应用的就是斗拱。斗拱主要承受屋面和上梁梁架的负荷，并将负荷传递到柱子上去。在室内使用斗拱时，其两端挑出，有分散梁枋节点处剪力和缩短梁枋跨度的作用。当斗拱应用于屋檐下时，向外出翘，承挑上部屋檐，使出檐更加深远。
　　我国科学家对中国古建筑木结构典型的节点进行了理论研究和试验，成功的采用试验的方法研究了中国古建筑木结构节点的性能，用人工老化的方法对不同类型的节点进行试验，来模拟自然退化条件下的节点性能。试验结果显示，当节点经过人工的不同损伤时，节点的抗弯刚度明显下降，因而，节点都为半刚性节点。采用三参数节点的模型很好的演示了该类半刚性节点的转角---弯矩关系，在非线性的分析中需要确定节点的切点刚度。通过此试验还对节点半刚性对木构件的性能影响进行了研究。
　　薛建阳等人将柳连接与斗拱连接视为半刚性连接，将础石与柱底之间的连接视为相对滑移层和铰接，将变刚度弹簧系数引入其中，通过对古建筑木结构的动力过程进行分析，从而得到了，在地震时各结构的受力情况。
　　我国著名科学家车爱兰采用了有限元数值计算和理论的现场测试相结合的方法，对应县的古塔的木结构进行了地震响应和受力特性的分析与研究。
　　近代学者在收集历史文物资料和实物调查的过程中，对其进行了一些探讨行的研究。研究中国古建筑的初级教材《清式营造则例》是由梁思成在1934年编撰而成。新中国成立以后，陈明达全面研究了宋朝的木材材料的性能。中科院自然科学史研究所对古建筑的历史发展的研究成果进行了系统的总结。在以前研究人员对古建筑的节点和木构斗拱的特性的了解十分的局限。