会善寺大殿斗拱足尺试件竖向加载试验研究

2020-04-21刘应扬童丽萍王文华

结构工程师 2020年1期

刘应扬张枫童丽萍王文华

（1.郑州大学土木工程学院，郑州450001；2.郑州市世界文化遗产管理中心，郑州450045）

0 引言

斗拱是我国古建筑特有的一种构件，位于立柱和横梁交接处，从柱顶一层层探出成弓形的承重构件叫拱，拱与拱之间垫的方形木块叫斗。拱架在斗上，向外挑出，拱端之上再安斗，这样逐层纵横交错叠加，形成上大下小的托架［1-2］。

会善寺大雄宝殿是世界文化遗产“天地之中”历史建筑群建筑之一，位于河南省登封市，是全国重点文物保护单位。会善寺大殿始建于元代，距今已有700 多年历史，为同时期最大的古建筑之一［3］。然而，由于自然风化和人为因素的破坏，现存斗拱出现不同程度的损坏。

会善寺大殿檐下斗拱主要有三大类:柱间斗拱（16朵）、柱头斗拱（12朵）、转角斗拱（4朵）。柱间斗拱位于梁架与普柏枋阑额之间，由梁架传导屋面荷载，具有承上启下的作用，本文以柱间斗拱为研究对象制作足尺模型进行竖向加载试验以探究其在竖向荷载作用下的变形能力和传力机理，分析斗拱的受力薄弱部位，剖析斗拱的所蕴含的科学内涵，为会善寺斗拱的维修加固提供参考依据。斗拱的构造见图1，具体尺寸如表1。

图1 会善寺大殿柱间斗拱外立面详解图Fig.1 Front view photos of Dougong of Huishan Temple

表1 柱间斗拱各部分尺寸Table 1 The size of each segment of Dougong mm

1 试验概况

1.1 试验设计

斗拱模型试件用材为国产硬木松。根据会善寺斗拱的现场调研和查阅相关资料［4］，本文制作柱间斗拱足尺模型2 个（SP01，SP02）。试件放置在实验室表面光滑的钢梁上，在枋与蚂蚱头交汇处铺设90 mm 厚的钢板，上部荷载通过钢板传至斗拱，再传至实验室地面，见图2。

图2 试验整体图Fig.2 Overall test

1.2 测点布置

斗拱的整体竖向变形通过放置在蚂蚱头首尾处的2 个顶针式位移计测定；斗拱的局部变形由布置在头昂、二昂首尾部的6 个位移计测定。同时，在泥道拱、外拽瓜拱、首尾令拱沿拱底部顺纹方向布置8 个应变片，以测定构件的内力。应变片、位移计布置位置分别见图3（a）、（b）。

图3 测点布置Fig.3 Measuring point layout

1.3 加载方案

试验在河南工业大学结构实验室进行。试验采用500 kN 标准电液伺服加载机对试件进行竖向单调加载，加载过程采用位移控制。正式加载前，先进性预压以便良好接触；试验加载速率为2 mm/min，直至斗拱破坏。斗拱试件出现明显严重破坏，整体位移值过大，变形与力曲线的斜率明显降低［5-6］，视为试件已经破坏。

1.4 试验现象

正式加载初期，随着荷载的增大，各构件间咬合力加强，有频繁“吱吱”声，在8 mm（70 kN）加载过程中泥道拱、华拱与底部栌斗交汇处，沿着栌斗耳底部形成微裂缝见图4（a），四角裂缝发展情况大致相似。随着加载位移增大，在12 mm（137 kN）加载过程中，栌斗耳处的裂缝斜向由上到下发展，不断延伸见图4（b），泥道拱与头昂形成水平裂缝，由开槽处向外延伸见图4（c），上部慢拱于枋交汇处开始形成微裂缝。外拽瓜拱两端有微微向上翘起的现象，这是由于集中力作用形成的局部弯矩，对瓜子拱中轴线下部形成拉应力，上部形成压应力，造成两端微微翘起的现象。其余部位表现没有破坏的迹象。

在24 mm（305 kN）加载过程中，试件发出频繁的劈裂声，有水平微裂缝出现在栌斗欹平处，泥道拱与头昂的交汇处有水平裂缝出现，并逐渐增大，见图4（d）。上部二昂与令拱交汇处的散斗，出现斜向的微裂缝，都是从平身处向底部延伸，见图4（e），令拱与蚂蚱头交汇处有水平裂缝出现，并逐渐发展延伸，见图4（f）。

图4 斗拱试验照片Fig.4 Experiment photos of Dougong

34 mm（361 kN）加载过程中，二昂尾部开始形成纵向开展的裂缝，泥道拱处裂缝增大，栌斗一耳处形成明显的斜向下的通缝，劈裂声低频高声的出现，这是由于各层水平缝逐渐发展形成通缝发出的声音。

40 mm（379 kN）加载过程中，二昂与头昂均有向上翘起的现象，这是由于中部开槽造成交汇处的有效承载面较少，在随着中部集中力增加形成的弯矩不平衡，形成不均匀的压缩。慢拱两侧所枕散斗的耳底处有水平微裂缝出现，并且逐渐开展。慢拱与蚂蚱头交汇处破坏较为严重。42 mm（382 kN）加载过程中，大部分裂缝增大形成通缝，试验终止。

卸载初期，翘起的部件均有恢复的趋势；卸载至6 kN 左右时，试件咬合处有啪啪声响；卸载后期，啪啪声更为明显。整个试件的破坏形态表现出构件剪切和承压破坏。

2 试验结果及其分析

2.1 荷载-位移曲线

基于试验数据，绘制各斗拱的荷载—位移（F-U）曲线，见图5。加载初期，试件中的缝隙被挤紧，曲线的刚度较低。缝隙压实之后，曲线表现出弹性阶段的刚度，约为11.45 kN/mm。加载至28 mm 时，构件发生屈服。图5 中可以看出曲线呈锯齿状增长，这是由于构件开裂产生的振动导致的。在整个加载过程中，荷载位移曲线近似成三个阶段上升，每段的刚度不一致。在栌斗与相交的头昂、泥道拱形成明显的破坏时，试件达到其极限状态，承载力和位移分别为:SP01，384 kN，47.7 mm；SP02，382 kN，42.2 mm。

卸载初期，荷载下降较快，斗拱变形恢复不明显；卸载结束时，试验的残余变形SP01 为23.4 mm、SP02 为19.3 mm。残余变形包括木材的塑性变形以及挤压后未恢复的缝隙。

2.2 分层变形

斗拱头昂、二昂、蚂蚱头的各层时程变形曲线见图6，负值代表构件竖向挠曲，正值表示构件向上翘曲。

从图6 可以看出，各层最大变形量依次为头昂、二昂和蚂蚱头，说明距加载点越远，变形越明显。其中，蚂蚱头的位移为正值，出现了翘起的现象。头昂、二昂主要表现出承压挠曲。各层的残余变形依次为头昂、二昂和蚂蚱头，说明头昂、二昂的塑性变形程度大于蚂蚱头的塑性变形，进一步说明上部构件承担内力较少。

图5 F-u曲线Fig.5 Load-deformation curves for Dougong

图6 分层位移变形曲线Fig.6 Layer displacement deformation curves

为了研究斗拱各层的首尾变形情况，绘制首尾变形曲线如图7 所示。从斗拱的各部件来说，头昂、二昂的头部压缩变形总是大于尾部变形，蚂蚱头头部微微翘起。这是因为斗拱的头部有限承压面较尾部少，造成了下层头部压缩变形大于尾部变形，上部头部呈压缩，尾部微微翘起的现象。

2.3 荷载-应变曲线

道拱、瓜子拱、首尾两令拱的应变情况如图8所示。

从图8 中可以看出，随着荷载的增大，各构件应变依次为泥道拱、外拽瓜拱、令拱，说明栌斗、头昂、泥道拱构件分担的竖向荷载最大；越往上，构件内部受内力越小。这与试验现象中，上层构件相对完好而下层构件破坏严重的情况，保持了一致。对于斗拱来说，泥道拱的应变读数为正（受拉），瓜子拱、令拱应变读数为负（受压）。泥道拱的拉应变最大，也反映了下层内力大，出现了翘曲。

2.4 竖向刚度计算模型

根据本文得到斗拱荷载位移曲线（图5），将斗拱竖向承载的力学模型简化为三折线的形式，如图9 所示。其中OA 段为初始滑移，刚度较小；AB 段为构件顶紧后的传力阶段，刚度较大，可以理解为斗拱的线性阶段刚度；BC段为斗拱屈服至破坏的阶段，由于各构件的开裂和塑性变形，斗拱受到了损伤，刚度出现了下降。该曲线与文献［7-9］获得的斗拱刚度曲线特征相似。结合试验结果，本文拟合的三阶段刚度如表2所示。