木结构古建筑柱脚节点力学性能分析
2018-01-23孙启智
孙启智
摘要：我国传统木结构中，柱直接搁置于础石之上是柱脚节点的主要连接形式，之间没有任何的拉接，柱与础石之间仅有水平摩擦力和础石提供的竖向支撑。本文通过对这种柱脚节点的构造和滑移机制、结构稳定性以及影响柱脚滑移的因素进行理论分析，为传统木结构建筑柱脚节点的检测评估、修缮维护以及其在仿古建筑中的应用提供一些理论参考。
关键词：木结构古建筑；柱脚节点；力学性能；滑移机制；结构稳定性
0引言
我国传统木结构建筑中柱与础石之间的连接多为平摆浮搁式，即柱子直接搁置在础石之上，之间没有任何连接。这种连接方式起到了一定的隔震的作用，但是地震下，往往会发生滑移，而且这种滑移是不可恢复的，所以，在近现代的木结构建筑中很少再使用这种可滑移的柱脚节点连接形式了。然而这种节点经历了几千年的发展，被广泛的使用，就一定有其特殊之处。本文通过对平摆浮搁式柱脚节点的构造和滑移机制、结构稳定性以及影Ⅱ向柱脚滑移的因素进行分析，研究传统木结构选用此种柱脚连接方式的合理性。以期为传统木结构建筑柱脚节点的检测评估、修缮维护以及其在仿古建筑中的应用提供一些理论参考。
1节点的构造及滑移机制
根据《营造法式》和《营造算例》中对于这种可滑移柱脚节点的制作规范和尺寸要求，可以得到其构造及受力分析如图1所示。
图1中，P为地震作用下产生的水平作用力：柱脚节点处受到的竖向荷载N=m（a+g）；柱与础石之间的摩擦力f=μm（a+g），其中m为上部结构分担到该柱的质量，a为地震作用下产生的竖向地震加速度，μ为柱与础石之间的最大静摩擦系数。
结合已有的研究和图1的节点构造及其受力分析，我们可以发现，在结构受到地震作用力时，当柱脚节点处产生的水平作用力小于柱与础石之间的最大静摩擦力时，即P
2稳定性分析
2.1抗倾覆性分析
木结构古建筑的构造做法与现在建筑完全不同，节点连接处也基本是靠构件的穿插和搭接连接，尤其是柱脚节点与础石之间没有任何锚固或拉接，往往使人担心当结构受到的水平作用力过大时，建筑是否会容易出现倾覆破坏。其实古人们在建造房屋时也注意到了这个问题，所以他们采用柱脚外放、结构进深远远大于其建筑高度等方法，来抑制建筑出现倾覆的倾向。从我国传统木结构建筑的构造特点可以看出，建筑只能依靠自身的重力来提供抗倾覆力矩。图2所示的模型简图为最容易出现倾覆的单跨单开间木结构模型，通过对其受力分析研究其抗倾覆性。其中屋盖为对称结构，屋盖质量均匀分布，所以屋盖的重心位于梁架高度的1/3处，设屋盖的总重量为G=mg，屋盖产生的水平加速度为a，则屋盖处产生的水平作用力F=ma，其作用点也在屋盖的重心。结构进深为D，柱架高度为H，梁架高度h取0.6D。
结构在水平地震作用下，不倾覆的条件为水平作用力作用下产生的倾覆力矩小于等于重力作用产生的抗倾覆力矩。
即：F（H+1/3h）≤ 化简得：H/D≤5/a-0.2 从式中可以看出，结构的抗倾覆性主要与结构的高宽比以及屋盖处的产生的水平加速度有关。 对于建筑来说，结构的高宽比已经是确定的了，为了得到其抗倾覆性能的条件，必须求得结构屋盖的最大水平加速度。我们都知道，结构在水平作用力下产生的最大加速度位于柱底，这时可以将整个结构上部看做一个刚体，则屋盖产生的最大水平加速度可以用整个刚体的最大加速度表示。即为柱与础石之间的最大静摩擦系数，综合已有研究中平摆浮搁柱脚节点摩擦系数测定试驗可以得到¨的取值范围为0.25-0.5。即H/D≤0.8～1.88。所以，当单层建筑结构的高宽比小于等于0.8时，结构肯定可以满足抗倾覆的要求。 2.2重力二阶效应分析 对于结构侧向刚度较小的结构，如传统的木结构建筑，柱架在受到水平力作作用时会引起结构的侧向位移，一旦柱架产生侧向变形就会出现增大结构水平位移的竖向荷载分量，同时也会产生附加内力，我们将这种效应称之为重力二阶效应。当竖向荷载在构件底部的作用点不在构件本身上时，结构就会出现不利的重力二阶效应。 基于前面对平摆浮搁式柱脚节点的构造特点和滑移机制的分析中，我们可以知道当水平地震力的作用下柱脚节点还未产生滑移之前，柱子只是产生转动，从图3中可以看出，当柱子的转动角度较小时，竖向荷载基本分配到了平行于变形后竖向轴线的重力分量上，而传统木结构建筑中屋盖的重量非常大，柱子的竖向荷载也较大，此时在竖向荷载柱底作用点还在柱子上，柱架的上部重力对柱架产生恢复力，从而抑制了柱子的进一步偏转。 而当柱子的偏转角度大于D/2h时，即柱架相对侧移大于D/2时，竖向荷载在柱底作用点偏离出柱子，这时柱架上部重力不仅不会产生恢复力，反而因为垂直于变形后的竖向轴线的竖向荷载分量逐渐变大导致结构产生更大的变形，由此也就产生不利的重力的二阶效应，此时由于柱架侧移会进一步增大，就可能造成结构的层间落架倒塌。所以当柱脚转动角度应该控制在D/2h之内，以保证结构的稳定性。 上面分析的是柱脚节点不产生滑移，而只发生转动的情况，而我们已经知道，当结构受到的水平作用力较大时，柱脚节点会发生滑移，这样就会减小柱架的转角和侧移，从而避免不利的重力二阶效应的出现。所以，柱脚节点的滑移有效的提高结构的稳定性。 3柱脚滑移的影响因素分析 3.1简化力学模型的建立 当平摆浮搁式柱脚节点木构架在水平荷载作用下产生柱脚滑移时，结构存在惯性力、阻尼力、弹性恢复力以及竖向作用力和柱底剪力等。此时直接按照传统木结构建筑的实际受力状态建立柱脚力学模型，并对其进行定量的分析非常困难，为便于分析，参考相关文献，做如下基本假定：
