徽派木构古民宅结构分析
——以棠樾某民宅为例
2020-11-10邢凯峰肖官衍王小平王公成李红艳
邢凯峰，肖官衍，王小平，王公成，李红艳
（1.黄山学院 建筑工程学院，安徽 黄山245041；2.西南交通大学-利兹学院，安徽 池州247100）
1 引 言
徽派木构古民宅的水平构件与竖向构件多以半榫和透榫的形式进行拉结。其做法都是榫的穿入部分的长度至柱中部位，半榫相较于透榫的结构作用较差。为了防止拔榫现象的发生，节点处多采取设置“关键”、替木或雀替的办法予以解决。对既有材料的掌握和组织实施，使得中国建筑营造对于木结构的应用愈加娴熟至炉火纯青，其成就令后人难望其项背[1]。
2 节点受力分析及其建模
2.1 节点计算模拟
徽派木构古民宅木构件的榫卯节点是半刚性连接，其变形介于铰接和刚接之间。本文以棠樾某民宅为例，该民宅为典型的徽派木结构建筑，受力结构清晰可见，没有多余的装饰。这些规律与组合方式的受力分析可以从建筑静力与结构承重的角度出发[2]。
2.1.1 节点刚度
1.半榫（梁与中柱相交），X方向取1.0×1012kN/m，Y和Z方向均取1.41×104kN/m。
2.透榫（梁与边柱相交），X方向取1.0×1012kN/m，Y和Z方向均取2.82×104kN/m。
2.1.2 杉木、马尾松的强度和弹性常数
1.杉木、马尾松的强度
木材按《规范》取杉木、马尾松的顺纹抗压强度分别为10N/mm2和12N/mm2；杉木、马尾松的顺纹抗弯强度分别为11N/mm2和13N/mm2。
2.杉木、马尾松的弹性常数，如表1。
表1 杉木、马尾松的弹性常数
2.2 基本信息
该民宅建筑的一、二层平面图及I-I 剖面图如图1所示。
图1 一、二层平面图及I-I剖面图
2.3 作用于木构架上的荷载
2.3.1 屋盖的荷载
屋盖荷载设计值：1.2×0.713+1.4×0.53=1.60 kN/m2
2.3.2 楼层的荷载
楼面荷载设计值：1.2×0.35+1.4×2.0=3.22kN/m2
2.3.3 构件的尺寸（单位：mm）
其主要构件尺寸分别为：顶层穿枋50×200，其他穿枋均为50×300；斗枋120×200；纤子150×250；房帖50×250；四周与墙体相连的柱直径160，其余中柱直径均为180；屋盖和楼盖梁均为150×300。
3 计算模型和结果分析
3.1 计算模型
该民宅木构架的三维计算模型如图2 所示，计算模型共有节点2522个，单元2285个，其中梁单元1336个、柱单元949个。
图2 三维计算模型
3.2 计算结果及分析
3.2.1 内力计算分析结果
该民宅木结构的轴力图和弯矩图如图3 所示，3/E柱轴力最大为30.65kN，中跨梁上的弯矩值最大为7.37kN·m。
3.2.2 位移计算分析结果
该民宅木构架的整体位移和竖向位移如图4所示。
图4 整体位移和竖向位移图
从位移图中可以看出：1.底层连接中间两根脊柱纤子的跨中位移最大，可以采取增大纤子截面尺寸的措施以提高结构整体刚度，达到减小跨中位移的目的；同时，此处的弯矩也是最大的，可以采取减小纤子跨度，或将纤子做成月梁式，并向上反拱的措施以达到减小跨中弯矩的目的；采取在纤子与柱相连处设置替木或雀替的措施，这样既增大了支撑长度又增加了接触面，以达到增强梁、柱节点刚性的目的。2.竖向位移明显大于水平位移，脊柱的水平位移和轴力值均最大。脊柱在整个木构架的作用是十分重要的，要保证木构架整体不散架，整体结构不倒塌，必须要保证脊柱是安全可靠的。
4 小 结
本文以棠樾某典型清代民宅为例，通过建模计算并对结果进行分析，从而得出徽派木构古民宅木构架通柱以水平位移为主，整体位移较小，提高榫卯节点刚度的同时也充分发挥了木材的力学性能。木构架榫卯节点处设置雀替等增强节点的刚性，保证通柱中脊柱的可靠，可大幅提高结构骨架的整体性。
