残损古建筑木结构力学性能相关研究进展与展望∗

李 钊 王志涛 郭小东

（1.北京工业大学城市建设学部，北京 100124；2.木结构古建筑安全评估与灾害风险控制国家文物局重点科研基地，北京 100124）

古建筑是中国文化遗产中的一颗明珠，现存的古建筑遗迹遗址具有极其宝贵的历史文化价值、艺术价值及科学研究价值。我国古建筑木结构主要通过榫卯、斗拱等构造方式与梁、柱等一起形成建筑结构。随着时间的流逝，环境侵蚀、人为损坏以及地震等自然灾害的作用，对木结构材料、构造与结构等方面造成不同程度的损伤，降低了结构的整体稳定性和承载能力，也给古建筑木结构的安全性带来威胁。

为了保护残损的古建筑木结构，国内外学者基于不同的研究目的针对性地开展了残损试验和数值分析等研究，通过拟静力试验、振动台试验、有限元模拟等方法分析了梁柱、榫卯节点、斗拱节点等典型构件的残损对木结构力学性能的影响，同时对古建筑抗震性能评估方法、修复加固技术等开展了研究。本文重点从残损榫卯节点、残损斗拱节点和残损梁柱等方面系统总结和分析近年来的研究成果，剖析现阶段研究存在的问题以及研究的重点，为今后残损古建筑木结构的研究及修缮提供借鉴。

1 木结构残损破坏类型

不同于水泥、钢筋等材料，木构件属于生物质材料，易受温度、湿度等外界环境影响，出现霉菌、虫蛀、腐朽、空洞等劣化现象[1]，导致古建筑的梁、枋、柱等构件产生残损，对古建筑木结构力学性能造成不利影响，甚至威胁结构的整体稳定性与安全性。

由于木构件所处的位置、环境、材质、使用年限、受力状况等不同，其所发生的残损现象和造成的危害也各不相同。典型的残损分类如图1 所示，其中常见的残损类型主要有以下几种[2-3]。

图1 古建筑木结构的残损分类形式Fig.1 Classification of damage of ancient timber structures

1）木构件开裂（图2a）。木材受湿度的影响非常明显，主要表现为产生干缩裂缝，而古建筑木结构中的梁柱构件在长期干湿交替作用下，干缩开裂的现象更为严重[4]；由于古建筑木结构在使用过程中受荷时间长，从而在外力作用下产生裂缝。

2）木材材质劣化（图2b）。木构件长期处在潮湿环境中，且由于古建筑防潮功能较差，地下或墙体潮气容易侵入木构件内部造成真菌、霉菌等繁殖，从而导致木材产生糟朽。此外，虫蛀也是木结构常见的病害。一般情况下，糟朽和虫蛀主要存在于柱脚、柱头、梁柱节点等处[5]。

3）梁柱节点拔榫（图2c）。榫卯连接是我国古建筑木结构梁柱的主要连接方式，在长期受外力作用下，由于柱子沉降、歪闪，或者梁枋的弯曲变形等造成柱子与梁枋之间产生相对位移，加之木材本身的收缩等因素，榫卯节点容易松动，产生拔榫现象。

图2 木结构常见残损破坏类型Fig.2 Common damage types of timber structures

4）梁、枋弯曲变形。古建筑梁、枋在长期竖向荷载作用下，由于材料性能老化造成木材弹性模量降低以及抗弯能力下降，导致跨中挠度过大产生弯曲变形。

2 残损对木材的性能退化研究

木材具有独特的材料构造，因其物理、化学、生物等特殊性质导致其力学性质不同于常规建筑材料，具有明显的各向异性。因此，准确把握木材材料性能是研究残损木材结构力学性能和寿命的重要基础，对此国内外学者进行了大量的研究。

从木材本身特有的力学性能特征以及环境变化对其影响出发，陈志勇等[6]针对木材复杂的各向异性材料特点，利用ABAQUS软件建立了相应的本构模型，反映了木材抗拉和抗压强度不等、抗拉或抗剪时发生脆性破坏而受压时发生塑性变形等特性。Zeeland等[7]研究了温度对木材顺纹抗压强度的影响，结合试验数据提出了木材抗压强度随温度变化的双折线模型。Koning[8]在对已有的研究资料进行了整理与总结的基础上，研究了不同温度条件下木材剩余强度的预测方法，并结合试验结果提出了剩余强度—温度模型。

针对残损木材的力学性能退化问题，国内外学者也做了大量研究。徐明刚等[9]通过对比新旧木材，发现旧木材的顺纹抗压强度、横纹强度、抗弯强度、抗弯弹性模量均有所降低，同时发现新木的干缩率较旧木略大。瞿伟廉等[10-11]开展了针对腐朽木材的试验研究，提出了根据腐朽等级考虑材料强度衰减和有效截面损失方法，并推导出了木材的腐朽抗力衰减模型。Leicester[12]提出了木结构在白蚁和真菌腐蚀下的耐久性预测模型，确定了木材种类、防腐剂使用、含水率、温度等影响腐蚀速率的主要参数。李铁英等[13]在国内外学者对古旧木材物理力学性能研究资料的基础上，提出了现存木材的强度折减系数。

可以看出，无论是在木材本体的各项异性力学特性方面，还是环境变化以及残损对木材力学性能的影响方面，国内外学者都开展了相应的研究工作。基于木材顺纹抗拉、抗压强度特点建立了相应的本构模型，特别是基于腐朽、虫蛀对木材的影响给出了相应的时变规律和抗力衰减模型，并提出了相应条件下的抗力演变模型，为后续残损木构件的力学性能研究奠定了理论基础。

3 残损对构件力学性能影响研究

在传统古建筑木结构中，柱、梁、枋、檩构成了整个建筑的承重骨架，而梁、柱和节点作为其关键的受力构件在整个结构中起着至关重要的作用。基于此，本文重点针对残损榫卯节点、斗拱节点、木梁、木柱等结构构件，对其力学性能研究现状进行讨论。

3.1 残损梁柱力学性能研究

梁柱构件作为古建筑木结构的主要承重构件，除承受上部传来的竖向作用力外还承担着抵御水平荷载的作用。古建筑木结构一般建成时间较久，在长时间自然或人为因素作用下，梁柱不可避免地出现残损，给整体结构的稳定性或承载能力造成了一定的威胁。为了研究残损梁柱的力学性能，学者们一般采用人工模拟残损的方式进行试验和有限元仿真研究。

在木构件干缩裂缝影响方面，陈孔阳等[14]通过在木柱和木梁上设置贯通缝来模拟自然干缩裂缝，分别对圆形木柱和方形木梁进行轴心受压试验和三分点抗弯试验，并利用ABAQUS进行模拟分析，提出了考虑纵向干缩裂缝影响的木构件承载力折减系数的计算公式。Mosallam[15]在对人工模拟残损的木梁进行受弯试验的基础上，研究了残损木梁的抗弯承载力变化情况。谢启芳[16]进行了不同干裂程度和不同柱高的残损木柱轴压试验，提出了干裂木柱综合残损程度量化指标，建立了干裂木柱抗压承载力和刚度退化模型。研究表明，干缩裂缝对梁柱的破坏模式影响较小，但随着裂缝深度的加大，构件的承载力和抗侧刚度均呈现明显的下降趋势。

古建筑梁柱构件除了开裂残损外，出现较多的残损形式是糟朽和虫蛀，对于此类残损形式也开展了较多研究。李胜才等[17]采用削弱截面的方法模拟构件的残损程度，制作了柱脚单侧损伤和周边损伤等几种工况的单榀直榫木构架，并对其进行低周反复加载试验（图3）和有限元模拟分析，在此基础上研究了其破坏形态和滞回性能。结果表明，木构架损伤程度越严重，其承载能力和抗震性能越差。谢启芳[18]通过局部去除木材的方法模拟木柱的局部残损（图4），分别对木柱进行轴压试验，并建立相应的有限元模型，分析残损区域的深度、长度对木柱力学性能的影响规律。结果表明，随着损伤区域深度的增大，承载力降低幅值随之增大；随着损伤区域长度的增大，承载力降低趋于缓和。

图3 加载装置示意图Fig.3 Schematic diagram of loading device

图4 损伤木柱试件Fig.4 Damaged wood column specimen

于永柱等[19]以墙体木柱为研究对象，分别建立了考虑裂纹缺陷、腐朽缺陷以及符合缺陷特征的墙体木柱模型，在有限元模拟分析基础上，探究了不同尺寸的缺陷对墙体木柱安全性的影响。陈立涛[20]基于ABAQUS有限元软件，分别建立了完好木梁和糟朽木梁的实体有限元模型，对比分析了糟朽程度、糟朽位置等对木梁力学性能的影响规律，引入了残损缺陷对木梁抗弯承载力的折减系数，进而提出了考虑折减系数的残损木梁剩余承载力评估计算方法。路鹏[21]针对木柱老化问题建立了老化木柱和老化木梁的有限元模型，研究老化对木柱和木梁构件受力性能的影响，认为老化对木柱抗压承载力和木梁抗弯承载力的影响与老化均匀度呈线性相关，并分别提出了考虑老化影响的木柱构件抗压承载力和木梁构件抗弯承载力折减系数计算公式。张利朋等[22]建立了木材的弹塑性损伤本构模型，通过模拟已有文献中的三点受弯木梁试验，对此本构模型的正确性进行了验证，表明所建立的弹塑性损伤本构模型可以较好的反应残损梁柱构件在受力过程中的非线性受力和损伤演化行为。通过以上研究可以看出，腐朽位置、腐朽深度和腐朽等级对木构件承载力有显著影响，且残损深度越深，损伤区域越长，木柱的轴心受压承载力和木梁的抗弯承载力越低。

综合以上不同残损形式对梁柱力学性能的影响研究可以看出，裂缝、糟朽等均对古建筑木构件的力学性能有重要影响，普遍认为随着残损程度的增加，梁柱构件的承载能力和安全性均呈下降趋势。从试验中对木柱糟朽和虫蛀的模拟方式来看，大多是通过削弱柱子截面来实现，而现实梁柱构件的残损情况不一定是均匀分布于构件外表面或构件中心，导致试验构件与真实构件的残损情况有所差异，相应结论亦不能准确地反应其真实情况，同时对木材材料性能退化的影响也考虑不足。

3.2 残损榫卯节点力学性能研究

榫卯是中国古建筑的主要结构方式，榫卯节点根据木结构的具体结构形式和连接部位有不同的类型，如梁柱、梁枋之间的燕尾榫、透榫和半榫，固定柱子的管脚榫、套顶榫和馒头榫等。已有研究表明，古建筑木结构节点相对于构件的安全储备不足[23]，是导致结构破坏的关键因素，因此国内外学者针对节点与连接构件的力学性能开展了研究。

对于腐朽、虫蛀等残损特征，由于无法获取与古建筑实际节点一致的模型进行原位加载试验，学者们一般采用人工老化或人工制造残损的方法进行试验研究。King等[24]采用钻孔的方式模拟自然老化后的榫卯节点，并对其进行竖向加载，分析了其抗弯刚度和极限承载力随节点老化的变化规律。谢启芳[25-26]分别制作了缩尺比例的燕尾榫和直榫节点模型（图5），采用改变孔洞大小、深度和疏密来模拟不同程度的虫蛀和糟朽导致的节点损伤，并通过拟静力加载试验研究其力学性能，得到残损节点的转动弯矩、刚度和耗能能力均低于完好节点，并且随着残损程度的增加而逐渐降低的结论。刘雁苓[27]基于ABAQUS软件建立了虫蛀残损、压缩残损、卯口开裂残损等14个榫卯节点残损模型，分析了残损节点的滞回性能、刚度退化性能和耗能能力，发现虫蛀和压缩残损对节点峰值荷载影响较大，开裂对峰值荷载影响较小，且木材的残损使节点初始刚度退化严重。

图5 燕尾榫榫头残损模型Fig.5 Dovetail joint tenon damage model

除了腐朽、虫蛀等残损形式，榫卯节点在荷载作用下会产生脱榫或松动。鉴于此，研究者分别制作了不同脱榫程度的燕尾榫、直榫和透榫模型，并进行静力加载试验，通过研究脱榫对木构架破坏形态和承载力的影响，得出节点初始拔榫量越大，构件的承载力越小，跨中变形也越小的结论[28-30]。薛建阳等[31-32]制作了不同松动程度的透榫和燕尾榫节点模型，并进行了低周反复加载试验，研究了节点松动对木构架抗震性能的影响，发现松动节点的转动弯矩、刚度和耗能能力均低于完好节点。于金财[33]利用ABAQUS软件建立了缝隙位置不同的燕尾榫木构架模型，通过水平往复加载模拟分析了四种模型的滞回曲线、刚度退化性能和耗能能力，分析得到有缝燕尾榫节点的恢复力、刚度和耗能能力均低于无缝节点，且侧缝对木构架的影响最大。康昆等[34]分别建立了有缝隙燕尾榫木构架和无缝隙燕尾榫木构架有限元模型，分析了榫卯间的竖向缝隙对木构架承载性能的影响，说明相同竖向荷载下，有缝隙的燕尾榫木构架水平抗侧能力差，水平刚度低。

古建筑木结构榫卯结构的破损可能会导致建筑承载能力降低甚至倒塌，因此对榫卯节点进行加固及修复显得尤为重要。郭宇等[35]总结了扁钢、马口铁和碳纤维布三种木结构榫卯节点加固修复方法的相关研究成果，并对三种加固方法进行分析，得到扁钢加固效果最好，其次是碳纤维布加固，最后为马口铁加固。石若利等[36]利用ABAQUS软件建模分析榫卯节点用6种不同加固方式后，性能的提升情况，结果表明6种加固方案均能使最大挠度得到有效降低，并且双侧弧形软钢加固对节点应力减少最少。

通过以上对残损榫卯节点力学性能的一系列研究基本得出了一致的结论。残损对木构件的力学性能有重要影响，腐朽、虫蛀、松动或有缝隙的榫卯节点弯矩、刚度和耗能能力均低于完好节点，且松动程度或缝隙越大，节点的抗弯刚度、极限承载力和延性越低。从研究中尚存在的问题来看，目前针对腐朽、虫蛀等残损现象的试验模拟方式多是基于人工钻孔，而均匀钻孔的模拟方式与实际木材的残损形式有所差别，能够更加合理地模拟节点糟朽和虫蛀的试验方式仍有待研究。同时，已有的对残损榫卯节点的有限元模拟分析，多是针对榫卯缝隙，而针对腐朽和虫蛀的模拟研究则相对较少。

3.3 残损斗拱节点力学性能研究

斗拱是我国古代建筑的特有形制，主要起到将屋架荷载传给柱架的作用，并具有一定的建筑美学功能。由于木材具有易开裂、易糟朽、易变形等缺陷，在多维因素作用下，斗拱不可避免地会出现残损问题，对结构整体稳定性和安全性构成威胁。

周乾等[37]以故宫古建筑斗拱为研究对象，基于故宫斗拱的构造和受力特点，对典型残损问题进行了归纳和汇总。陈志勇等[38]基于斗拱的真实构造、木材复杂的本构关系模型和各构件间的摩擦接触关系模型，建立了应县木塔典型斗拱的有限元模型，分析了其在竖向荷载下的受力性能。薛建阳等[39-40]利用ABAQUS软件分别对歪闪斗拱模型进行了竖向单调加载数值模拟和水平向循环加载数值模拟，研究了斗拱竖向受力性能和抗震性能，结果表明，歪闪程度越大，斗拱侧向刚度和耗能能力越小。

为了更好的分析残损状态下斗拱的受力性能，陈九璋等[41]以应县木塔二层头铺为研究对象，制作了缩尺斗拱节点模型，通过人工残损处理模拟斗拱的残损，并对模型进行竖向加载试验。试验结果表明，竖向荷载下残损斗拱节点的破坏形态和完好斗拱节点相似，但极限荷载和抗压刚度都有所下降。谢启芳等[42]通过人工开槽和打孔的方法模拟斗拱节点腐朽、虫蛀和裂缝等残损状态（图6），对模型进行低周反复荷载试验，得到了残损斗拱节点的破坏形态、滞回性能、转动刚度及退化规律。试验结果表明，残损斗拱节点的滞回环捏缩效应较小，不同残损的斗拱节点转动刚度和抵抗弯矩均低于完好节点，但残损节点的耗能能力有所提高，且残损节点具有较好的变形能力和延性。

通过以上对残损斗拱节点力学性能的研究可以看出，残损对于斗拱节点的承载能力和耗能能力均有影响。此外，基于斗拱在木结构中的承载特点，现有研究多是针对斗拱节点的竖向受力性能，而对水平力如地震作用下残损斗拱节点的力学性能研究相对较少，对不同残损特征的斗拱节点水平向力学性能分析还需要进一步研究。

通过上述对残损梁柱、残损榫卯节点和残损斗拱节点的研究可以看出，糟朽和虫蛀是梁柱构件、榫卯节点和斗拱节点上最多见的残损形式，残损导致构件的结构刚度和耗能能力均有一定程度的下降，且对结构的安全性能影响较大；木材开裂和缝隙多存在于梁柱构件和榫卯节点中，研究发现随着裂缝深度的增加，构件承载力和抗侧刚度均呈现下降趋势；木材的弯曲变形主要出现于木梁中，且残损深度越深，木梁的抗弯承载力越低。

4 残损对木结构整体力学性能影响研究

古建筑木结构在遭遇各种自然因素和人为因素影响下其力学性能严重退化，为了更好的保护古建筑，研究残损对木结构整体力学性能的影响十分必要。关于木结构整体的研究主要分为两类：一类是通过对现存古建筑的实地考察，对古建筑木结构的整体安全性进行评判；另一类是按照一定比例尺建设古建筑木结构模型，通过实验室加载试验的方式和有限元仿真模拟的方式对整体木构架模型进行力学性能研究。

现存古建筑木结构经受了多次强烈地震影响和人为破坏，变形及结构损坏日益严重。应县木塔是我国保存完好的唯一木结构楼阁式宝塔，对其现状结构、受力、变形和残损状况进行系统化的分析和评估一直是学者们关注的重要问题。李铁英等[43-45]根据现场实测，对应县木塔的构件损伤和整体变形情况进行了分析，划分了可靠性等级，发现三层以下的损坏比上层的损害要严重，并对一个斗拱层间模型进行动力试验，得到结构的恢复力模型，提出了评价木结构的双参数破坏模型，并把测得的层间位移与震害等级联系在一起。同时，针对应县木塔现状，提出了相应的加固建议。李顺时[46]采用YJK工程软件建立应县木塔的残损仿真模型，进行重力工况、风载工况、地震工况下的结构反应仿真模拟，分析结果认为现状残损的木塔二层明层外糟西面偏南角柱，在长期自重作用下会倾斜失效，导致结构倒塌，需要进行相应的维修加固。王珏[47]通过建立整体倾斜的应县木塔模型，并进行张拉复位模拟分析，得出在张拉复位过程中各层柱的最大应力值比木塔在自重作用下的应力值大，且整体张拉比分层张拉时应力有所增加。飞云楼享有“天下第一木楼”的美誉，是国家重点保护文物，因年久失修存在严重的安全隐患。乔冠峰和李铁英[48-49]通过对飞云楼古木楼阁构件残损状况的调查，对各构件典型残损现状进行评价，并根据现状提出了可施行的修缮方案。高延安等[50]对环境激励下飞云楼的动力反应特性进行加速度响应测试，并用改进的SSI分析飞云楼的动力响应数据，发现飞云楼的结构刚度较弱，自振频率较低，且在动力荷载下更容易发生扭转振动。

现有针对整体木结构的研究大多是通过建立缩尺模型进行整体木构架的模拟试验。隋䶮等[51]对殿堂式木结构缩尺模型进行振动台试验，发现模型的自振周期和阻尼比随地震加速度的增强而增大，且柱架榫卯节点的耗能能力最强，在模型的耗能减震中起着主要作用。宋晓滨等[52]对缩尺比例的木塔模型进行振动台试验，考虑了7 度多遇至8 度罕遇烈度水平的地震作用，并分析了结构的动力特性，发现7 度基本地震作用下，仅在局部斗拱处发生横纹劈裂和梁柱榫卯节点轻微拔榫，其余构件未发现明显破坏，说明传统木结构具有良好的抗震性能。对于残损木结构整体性能的研究，薛建阳等[53]建立了宋代殿堂式木结构心间残损缩尺模型，并用碳纤维布加固，进行振动台试验后发现加固后模型的自振周期和阻尼比均增大，且加固后结构仍具有良好的耗能减震能力。

通过以上对整体木构架的一系列研究可以看出，残损对现存古建筑木结构的影响较大，为了更好的对古建筑进行保护，进行适当的修缮加固是十分必要的。而目前针对整体木构架的研究多为缩尺比例的振动台试验，且对残损条件下整体木构架力学性能影响的研究较少，还需要进一步的深入研究。

5 结语

国内外专家对残损古建筑木结构的力学性能进行了大量的拟静力试验、振动台试验和有限元模拟研究，在残损梁柱、残损榫卯节点和残损斗拱节点的力学性能研究方面取得了许多成果，为古建筑木结构的保护和修缮提供了重要的参考依据。结合目前的研究进展，以下几个方面仍需要重点关注：

1）虽然针对残损条件下的古建筑木结构力学性能开展了大量研究，但由于古建筑木结构自身体系的复杂性和材料的特殊性，特别是随着时间的推移，古建筑木结构在使用过程中仍面临进一步残损的威胁，因此残损古建筑木结构的安全性能评价需要重点关注。

2）在既有残损试验研究方面，对于残损构件多为利用新木材制作，并通过打孔、削弱截面等方式来模拟木材损伤，这与现实中古建筑木构件的材料性能退化和残损情况存在不同，导致人工模拟效果与现实情况存在差异。因此，需要在实地调查的基础上，进一步明确节点腐朽、梁柱糟朽与虫蛀等残损问题的分布规律和影响机制，建立符合实际情况的古建筑木构架残损试验模型。

3）梁柱构件是古建筑木结构的主要承重构件，除承受上部传来的竖向作用力外还承担着抵御水平荷载的作用。目前针对残损梁柱的试验研究多为静力试验，难以全面地反映出残损木结构的抗震性能，需要进一步开展反映残损梁柱抗震性能的拟静力试验及动力试验研究。

4）残损是影响古建筑木结构抗震性能的重要因素，目前针对残损的研究多集中在节点和构件上，且大多以单个节点或单榀平面框架为研究对象，而对木构架整体力学性能的研究较少，因此应在加强对残损节点和构件的力学性能研究基础上，进一步研究残损构件对木构架空间结构整体性能的影响。