（建筑历史与理论专业论文）中国传统木构架榫卯及侧向稳定研究.pdf

摘要 摘要 中国古建术构的节点连接方式榫卯，是传统木构结构理论研究的关键隆知识之一，其节点性能和节 点假设对传统木构侧向稳定研究有重要意义。 论文以中国古建常见的若干榫卵形式为研究对象，在中国古代建筑史，建筑技术史和现代结构理论的基 础上，结合查阅文献，计算分析，实验验证等手段进行分析研究，从理论上对榫卯的半剐性节点性自助口以分 析，又以实验数据加以比照验证和分析讨论，并对中国传统木构的简单构架的侧向稳定和相关的部分问题作 了初步分析探讨。 论文主要分为三大部分。第部分理论分析榫卯的半刚性节点行为：第二部分用榫卯实验数据进行研究： 第三部分结合前两部分的成果，对中国传统木构的侧向稳定性做了初步探讨。 全文共计7 2 ，0 0 0 余字。其中： 正文计6 0 0 0 0 余字； 公式、注释、图表计1 2 ，0 0 0 余字。 全文共计图表约1 鹋幅。其中： 自制表格8 幅， 引用图片3 5 幅， 自制图片1 2 5 幅 关键词；榫卵半刚性侧向稳定 a b s t r a c t r a l 岫a i e o i n t s o f 恤| d 柑册a l c h i n 荡e w o o ( 1 瞰s t m c 嘛i t i so l eo f t h e k e y k n o w l e d g eo f t r a d i t i o n a l w o o d , t 1 s t l u o t u m t k x r y a n d 吐l c j 血c 皿n p 盯t y 肌d a s 锄r n p 的n o f m b b c t a r e a l s o v e r y h n p o r t a n t t o m l d i t i o n a l w o o d e n s t r o t m e h o r i z o n t a ls t a b i l i t ys t u d y n ”| i h e s i sf o c u s e s0 1 1t h es t u d yo f s o m et y p eo f t r a d i t i o n a lr a b b e t t h es t u d yw a sb a s e d t h ea c h i c v c r n c 曲o f c h i n e s ea r c h i t i u mh i s t o r y , c h i n e s e 越_ 出b c t l 矾t e c h n o l o g yh i s t o r ya n dm o d c r f ls 枉u c t 谢t h e o r y m b l e r b 3 s 锄凼a s 址s 州cl i t e r a t l l i ea i 】dn i e a n sa 5c a l c u l a t i o nm a d 叩 i m t m t sa r ea d o p t e d t 1 1 e h a l f - r i g i dp r o p 唧y o f r a b b e ti sa r 】a l y z c d o i lt h e o r yl e v e l s o m e a 币廿协l 舶虹d a t ah a v eb e a mv 耐i e da n d s t u d i e dw i t h 吐l o o qa m l y s i s a n ds o m eb a s i cs t u d yo f t r a d i t i o n a l w o o d e n s t r u c t l 邛e h o r i z o n t a l s t a b i l i t y h a s b o m c a m e d o u t mt h c s i sm a i n l yc o n s i s t so f t h m ep a r t s m 如ip a r ti st h et h c o p s t u d yo f h a l f 撕d p r o p e r t yo f r a b b e t s t h c s e c o n dp a 呕i s 证c x p e r i l n c f l td a t av e r i f i c a t i o nm a d a n a l y s i s t h et h i r dp a n si st h eb s s i cs t u d yo f 昀d 砸0 1 1 a lw o o d e n s t r a o t u r e h o f i z o n l a l s t a b i l i t y h a s b e e n c a r r i e d o u l t h e p a p e rc o n t a i n sa p p r o x i m a t e l y7 2 ，0 0 0w o r d s w i t h1 6 8m 廿8 d o i 】s k e y w o r d s ：r a b b e th a 】f 书百dh o r i z o n 瑚s t a b i l i t y 摘要 中国古建木构的节点连接方式榫卯，是传统木构结构理论研究的- y z - f 建性知识之一，其节点性能和节 点假设对传统木构侧向稳定研究有重要意义。 论文以中国古建常见的若干榫卵形式为研究对雾，在中国古代建筑史，建筑技术史和现代结构理论的基 础上，结合查阅文献，计算分析，实验验证等手段进行分析研究，从理论上对榫卯的半剐性节点性能加以分 析，又以实验数据加以比照验证和分析讨论，并对中国传统木构的简单构架的侧向稳定和相关的部分问题作 了初步分析探讨。 论文主要分为三大部分。第部分理论分析榫卯的半刚性节点行为：第二部分用榫卯实验数据进行研究： 第三部分结合前两部分的成果，对中国传统木构的侧向稳定性做了初步探讨。 全文共计7 2 ，0 0 0 余字。其中： 正文计6 0 0 0 0 余字； 公式、注释、图表计1 2 ，0 0 0 余字。 全文共计图表约1 鹋幅。其中： 自制表格8 幅， 引用图片3 5 幅， 自制图片1 2 5 幅 关键词：榫卵半刚性侧向稳定 a b s t r a c t r a b b e l s a r e j o i n t so f l r a d i f i o n a lc h i n e s e 日o d 瞰s m g a x a e i ti so l l eo f t h ek e y k n o w l e d g eo f t r a d i t i o n a lw o o d e l l s l r u c t u r e 血珥a n d t h e j o i n t p r o p e r t y a n d a s m 衄o f m b b e t a t e a l s o v e r y i m p o r t a n t t o t r a d i t i o n a l w o o d i ms t r a c t u r e h o r i z o n t a ls t a b i l i t ys t u d y t h e | i h e s i sf o c l ：t s e so i lt h es t u d yo f s o m e t y p eo f t r a d i t i o n a lr a b b e t t h es t u d yw a sb a s e do t lt h ea c h i e v e m o l t so f c h i n e s ea r c h i t e c t u r eh i s t o r y , 0 1 i f ma t c h i t 咖e t e c h n o l o g yh i s t o r ya n dm o d l ! r l ls t n l c t u r et h e o r y m a t e r i a l ss u c ha s h i s t o r i cl i t e r a t u r ea n dr y i 1 sa sc a l c u l a t i o na n d p 咖a l 乜a l e a d o p t e dt h eh a l f - r i g i dp r o l x 嘶o f r a b b e t i sa n a l y z e d o i lt h e o r yl e v e l s o m e e x p c l q m o l t sd a t ah a v eb nv d i f i e da n ds t u d i e dw i t ht l e 哪a n a l y s i s a n ds c b a s i cs t u d yo f t r a d i t o n a l w o o d e as m m u r e t t o r i z o n u l t s t a b i l 啦h a s b e e n c z m e d o u t t h et h e s i sm a i n l yc o n s i s t so f t h r e e 雕t h ef i r s tp a r ti st h e t h e o r ys t u d yo f h a l f - r i g i d 芦o p 目f yo f r a b b e t s t h e s e c o n dp o a si st h ee g p c r i m c n td a t av e a i f i o a l i o na n d a n a l y s i s t h et h i r dp a r t si st h eb a s i cs t u d yo f t r a d i l i o n a lw o o d e n s t r u c t u r e h o r i z o n t a ls t a b i l i t y h a s b e e n c a r r i e d o u t t h e p a p e rc o n t a i n sa p p r o x i m a t e l y7 2 ，0 0 0w o r d s w i t h1 6 8i l l u s t r a t i o n s k e y w o r d s ：r a b b e tr l a l f - r i g i d h o r i z o n t a ls t a b i l i t y 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：鏖盘日期研究生签名：毖勃日期 种多，序 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 e ? 研究生签名： 整玉 导师签名 灶弛 曼垄萱堡 写在前面 中国传统的术结构建筑曾经在很长的一段时间内是整个东诬地区建筑形式的中心和源头，其影 响深远，观日本、韩国和部分东南亚的古建筑，从材料到构造从造型到形制，均与中国的建筑如 出一辙或一脉相承。但在近、现代由于受到西方的钢筋混凝土、钢结构，桁架木结构等的冲击， 其空间跨度小，营造技术封闭。耐火耐久性差等缺点不断暴露出来，特别是营造技术的封闭所导致 的较差的自我改照能力和竞争力，加之西方强大的文化冲击，健其逐步从新建筑的历史舞台上消失 了。时至今日，传统木构架的建筑技术只被少数专业人士掌握；新造的房屋已绝少用到这种“过 时、浪费”的技术了。这种缺乏实践需要的现状，是造成当前传统木结构理论研究难以发展深入的 主要原因。 另一方面，中国现在遗存的传统建筑是中国所拥有的重要宝贵的文化资源，它们中的绝大多数 需要高效、迅速、准确的保护和修缮，刻不容缓。在修缮时。除了要依据文物修缮的法律，尽可能 的维持原真性、可逆性、可识别性等外，为了保障建筑自身和使用者的安全还要对原有构架、构 件进行安全和可靠性的验算。这就必然要求能够将传统木构架的结构理论系统化，实用化。另一方 面，越来趣多的人，主动或被动的开始重新审视和研究传统的文化、艺术、科学成就，从多角度研 究中国传统建筑的人也在增加，这种理论，实践上迫切的需要和人力资源的增加是中国传统木结构 研究今天得以发展的主要动力。 维护、维修木构古建时，对木结构进行检漫4 、验算和必要的加固是不可缺少的部分。目前，可 以作为木结构验算、检验标准的主要是两本规范：木结构设计规范和古建筑木结构维护与加固 技术规范，其余的例如木结构施工验收规范、古建筑修建工程施工验收规范等，都主要是在 工艺上对传统本结构进行控制的规范，缺乏结构计算的规定。这两本可以作为验算依据的规范，前 者脱胎于前苏联的木结构规范，所研究的对象是桁架木结构，本身就缺少中国传统木结构的研究基 础，后者主要是在前者的基础，结合大量研究者和实践者的建筑实践经验总结，甩经验值来判断构 架的安全性，虽然可能更接近实际情况，但其理论分析少，理论体系的薄弱的缺陷使其难以适应千 变万化的实际情况。在建筑维修实践中，我们发现了这两个规范的不少局限性。根本原因是现在并 没有成熟可用的传统本构架的结构理论体系。 传统木结构结构理论体系至少应包括构架受力性能、构架稳定性、动力学学方面。在构架受力 性能的研究上，从早期梁思成先生对某些建筑构件的验算分析到王天对宋式结构的计算研究”1 等，可以说已经基本解决了重力方向荷载传递时的理论分析。( 当然，由于相应的材料研究的落后， 在结论上还和实际情况有所差异) 但在稳定分析，特别是构架的侧向稔定的理论分析方面，进展缓 慢，这其中的重要原因就是对传统木构架中的节点榫卵的性能不了鳃。 对于榫卯，研究早期较为普遍的看法是，由于榫卯节点形式多样、手工制作难以控制质量，木 材材质变异性大，故节点转动时无法提供有效的节点弯矩，应当按照铰接节点计算。从某些文献中 ( 例如粱思成先生文章中的计算分析。王天对泉式结构大粱的计算等) ，我们可咀了解到铰接节点假 殴是被普遍接受的计算假设。同时，在查阅过建筑抗震设计规范后，我们发现下述几条规定： ! ! ：2 ：z i 窒贮廑崖廑达垄丕挂屋亟之间遘置越搓：拭隧缝控垒数蜃住房屋廛在韭拭震匾撞由遮籀搓： 塞盐丕翅醒廑屋互丕逡魁撞：l ! ：z ：l ；窆盐丕掏装廑厘的纵回独攮自均廑在盔挂殴上：e 拄益塑缝层王 部哇重窿拉：差廛垄复二樾电蛀到回途重! = 2 遵翦盈攫邀魁撞! ! ! ：2 ：! ! ：3 ；窑殖廑萤适盔捡袈釜拄： 1 4 所有上述规定全部导向一个假设，即除了穿透柱子的榫鬼外。其它的撵卵节点均应按照铰接节点 计算。这种假设在对传统木结构进行重力荷载传递时的计算分析有其合理性。除了计算悬挑构件有 问题以外，对于大多数类似简支体系的梁架，节点按照铰接或是刚接，只会导出不同的构件内力值。 若不满足，加大截面即可，假设所导致的误差不是致命性的。但是，在研究传统木构架水平向受力 性能或稳定性时，将榫卯一律假设为铰接会得出和事实严重背离的结论：由于中国占代建筑的柱子 兰垄垫耍 是赢接落在柱础上的( 有些柱虽然下部有管脚榫 或者馒头榫，但是柱础石本身是直接搁置在地面 上的) ，只能按照铰接计算，而如果上部的榫卯 节点也假设为铰按节点的话，在结构力学上，这 是一个几何可变体系。无法承受任何水平荷载如 地震，风，或者地基变化造成的整体倾斜并倒塌。 如果按照此规范假设，则所有现存的中国古建木 构都会被列为危房或因“必须加固饰面目全非。 显然，这一结论和我们实际看到的情况背道 而驰：现存最古的木结构高层应县木塔不但在千 年的历程中经受了地震，大风的考验，而且在战 争中被炮弹击中，仍然幸存至今。【4 1 据记载蓟县 独乐寺观音阁，自辽代重修以来，曾经受过2 8 次地震，其中3 次是破坏性强震，几乎所有的房 屋建筑都倒坍，惟独观音阁未遭破坏。”1 ，艰多明清时期的高层楼阁也经受住了地震的考验”；大 量的明清民居，经历了数百年中地震的考验，伫立至今。又如我们在南捕厅维修案例中，发现很多 民居在使用中由于虫蛀，腐烂或地基的不均匀沉降而发生了倾斜，但仍然能够很好的使用。大量的 事实证明，中国古代木构建筑是有一定的抵抗水平荷载、变形的能力，侧向稳定性有相当的保证。 不是一种现代结构理论中的几何可变体系，且这不是简单套用现行规范，理论，分析模式可以解答 的。其原因涉及范围很广，榫卯是其中重要的因素之一。 虽然在现行的结构计算中，只有铰接或刚接这两种极端的节点假设( 铰接节点是可以自由转动 的节点，刚性节点是完全不会转动的节点) 。但现在人们已经认识到这两种假设都只是理想状态，在 现实中大量存在的是半刚性节点。( 半刚性节点性质复杂，目前没有任何一国的规范中引入半刚性节 点的计算假设或规定。这并不仅仅局限于木结构或中国传统木结构) 。在一些建筑史论文中早就提出 中国木结构的榫卯节点是一种柔性节点，只是这些形象的认识都没有上升到理论分析的高度。最 近，国内很多结构方面的研究者也都提出榫卯节点应该按照半刚性节点来研究计算，例如在木结 构古建筑结构特性的计算研究、中国古代木构架在水平反复荷载作用下的试验研究、中国古代 木结构的弹塑性有限元分析、等文中都提出并试图论证这一观点，但是，这些研究成果都存在以下 的若干明显缺陷： 1 由于不熟悉榫卵的构造，做出若干严重不符合实际情况的理论假设。 2 不清楚各种榫卯的变化，所有榫卵按照一个计算模式分析，虽然晟终用实验计算拟合的方法使 结果看起来正确，但是就单个的榫卯而言，可能出现很大的偏差。 3 在计算模型中缺少对于由于木材的施工工艺和材料特性的相关考虑，特别是缺少对于木材各向 异性的研究。 4 研究范围局限在北方的抬梁构架中使用的榫卯，对南方的榫卯形式研究很少。 在最近获得的大木结构榫卵受力行为研究论文中( 该论文成文较早，但由于交流渠道不畅， 最近才得一览) ，我们欣喜的发现该文不但有了更为深入的认识，而且还做了多个完全实际尺寸的节 点实验研究，成果有一定的理论价值。但该文的节点模型假设缺少对榫卯节点本构关系的阐述，而 直接利用国外引入的半刚性节点公式，通过实验获取参数，这种结论只能是个案性非普适的。 在了解了上述情况后，有下述若干结论 1 榫卯节点研究是传统木构架侧向受力和稳定性分析的关键性知识之一。 2 目前，国内学者对于榫卵节点是半刚性节点这一结论有较为统一的认识。 3 目前研究的瓶颈在于结构专业的学者缺少榫卵构造方面的知识，而中国建筑史的研究者又缺少理 2 写在前面 论分析的能力。 4 节点研究的主要空白是榫卵的本构关系研究。即对于榫卯的节点题度到底如何产生这一根本问题 缺乏明晰的阐述，仅靠实验一计算机分析的方法来获取结果，无法适应多变的实际情况、不利于 我们认识榫卯受力过程。 本论文的研究目的就是研究榫卵的节点性能，对传统木构架抵抗水平力的机制获得初步的了解。 并通过比较两种基本的构架形式穿斗和抬梁，对其性能差异有所了解。 梁思成梁思成全集( 第一卷) p 2 1 0 - - 2 11中国建筑工业出版社2 0 0 1 4 王天古代大木作静力初探文物出版社1 9 9 2 3 g b5 0 0 0 5 2 0 0 3 木结构设计规范p 3 4 3 5 中国建筑工业出版社2 0 0 3 郭黛妲 中国古代楼阁的优秀抗震机制 建筑历史与理论第五辑p 1 3中国建筑学会建筑历史 学术委员会编 郭黛妲 中国古代楼阁的优秀抗震机制 建筑历史与理论第五辑p 1 3中国建筑学会建筑历史 学术委员会编 郭黛嫡 中国古代楼阁的优秀抗震机制 建筑历史与理论第五辑p 1 3 中国建筑学会建筑历史 学术委员会编 萧岚 试探中国古代建筑的抗震措施建筑历史与理论第三、四辑p 1 2 6中国建筑学会建筑 历史学术委员会编 擤 m 绪论 绪论 第一节、榫卯的沿革，分类和研究方法 1 棒卯沿革： 中国古代木结构虽为自豪之处就是“不用一颗钉子，全用榫卯搭接”的技术。其基本思想就是 通过在构件上挖洞，让几个构件咬合起来，通过限制各个单独的构件在一到两个方向的运动，使整 个构件成为一个整体。这种作法利用了木材易于加工，有很大的廷性变形的特性，同时通过榫卵连 接，让较小的术材得以更充分的利用，使利用一组小构件组成某个或某些大构件成为可能，突破了 木材天然尺寸的限制。构造形式和木材的加工方法相适应，使得榫卵技术以延续和发展。这种技术 的历史悠久，但要具体论述其起源和发展历程并不容易。因为榫卯工艺是古代犬木作中最为实践层 面的操作，在建筑中属于“难以知晓的不传之密”，若非拆开，否则无法得知具体作法。一方面，中 国早期的建筑实例损毁严重，几乎没有实物，类似的佐证如小木作、砖石结构也只能作为间接参考。 另一方面，这种和实践的密切联系也先天决定了对于榫卯，没法规定的很死，否则就难以适应多变 的可能性。也和传统匠艺以家族或小团体穿载有关。 因此即使在中国建筑史上l 都重量级的法式中，都 没有十分详细的对榫卵加以规定和说明( 也包括调 研不足，制度限制等原因) 。此处标题虽妄言“沿革”， 不过是笔者依据残留的碎片所做的大胆假设和推测 罢了。其目的是对榫卵的发展变化有一个脉络式的 了解。 目前发现较早、有代表性的榫卯实例是河姆渡 遗址中的榫卯实例。从1 一l l 可以看到下列几点： 一后世普遍出现的榫卵的三个要素：榫头，卯口， 销钉都已存在；二、榫卯的开口方向不局限于单向， 已有多向相交的实例；三、榫卯已出现了明确的分 化和分类。有大木构件的榫卵，也有连接小木的板 企口缝，以上三点都说明，榫卵在这一地区的这一 时期已经脱离雏形，有所发展。由于河姆渡更多代 表的是南方吴越地区的技术水准，还不能说在这个 时期，中国大陆的所有地区榫卯工艺水准。 从蛾圈到扶州删邵万伴州州月j 一1 一z 、1 国 汐汐 妒渤穆 移移 l l 一3 汉代墓砖榫卯 资料来源：中国建筑史( 第四版) 4 系能力不好。此外比较奇怪的是， 一些应该比较常用的榫卵形式，如 燕尾榫，十字交叉榫等没有在图版 中出现，不知是现存图版缺失或这 儿种榫卵在当时李诫收集资料的地 区并不常用的缘故。总的来说，宋 代的榫卵成就很高。 从宋至清，术构架发生了较大 变化，元代的榫卯连接还和柬代比 较接近，而清代柱梁直接连接的作 法逐渐成为主流，但其问正式的建 筑规范类文献只有清代的清式营 造则例，和宋代类似。榫卯的文字 记载规定仍然不多，但是对于常用 的燕尾榫，馒头榫，雀替后尾公母 榫等都明确觌定了尺寸，此外。在 相关的研究文献中。如马炳坚先生 的中国古建筑木作营造技术以 建筑实践为基础，补充总结了一部 分清代的榫卵的作法和尺寸。记述 了部分南方作法的营造法原，在 其附图中也有榫卯的尺寸规定。此 外，还有台湾大木结构的榫头 誓丢 盈匣馕 蠡譬 挚鬻嚣 + n 舟韩鞲竹扪饥书 2 彭舀 矽矿 采射n 她r 畦体饿件m 艰啊i - 戢内f r 蚋蛳 1 1 7 元代榫卯示意图资料来源：中国古代建筑技术史 空项栉 譬丑 圈 嫒三奎 d 正三j b 桀蝈卡订撵 燕圮桦1 卜桦 单向箍业摊 嘲爹 糯 l 1 8 清式榫卯示意图 资料来源：中国古建筑木作营造技术 双向箍头榫 6 h u 纂 鞋 - _ i _ _ _ - - _ - _ - _ - _ - _ _ - _ - _ _ - _ - 。- - _ _ _ _ - _ _ - - 。_ 一 一一 绪论 一文中所列举的台湾的榫卯形式， 我们发现：第一、榫卯的形式有所 简化，部分加工工艺复杂的榫卯， 如螳螂榫、勾头搭掌很少出现，相 应位置也被燕尾榫所替代。第二、 台理性加强，在各个节点处的榫卯 都有较好的拉结能力，原本宋代在 梁柱交接时使用的镊口鼓卵作法 复杂，而且联系能力不好，在明清 该位置大量使用燕尾榫，其作法简 单而效果更好。第三，除了销钉以 外的一些加固榫卯的方法也被大 量使用，如拼柱时使用的铁圈，柱 头开口较大时用于加固的牛皮等。 就总的趋势而言，是简化和规范化 榫卯尺寸，但这不应该被视为一种 工艺退 化或思 维僵 化，笔 者以 为，这 恰恰是 建筑实 践范围 扩大， 数量增 多后， 为了保 证建筑 质量而 做的必 要改 变，这 和宋清 之间的 中国传 统建筑 的发展 可以部分代表南方某些地区的榫卯形式。从这些规定和图例中 脉络是同步的。 2 研究内容，方法： 本文的重点是榫卯的抗弯研究。榫卵的研究体系，至少应该包括以f 三个方面：第一是榫卯作 法形式的研究总结，这部分应该总结榫卯的种类，作法和尺寸规定，还包括一些地方作法背后的文 7 化要素；二是榫卯节点本构关系的研究和竖向力，水平力作用下的结构特性这一部分解释榫卯刚 度的数学关系和影响因素；三是榫卵节点的结构动力学分析。这一部分结合中国古建的抗震研究a 就目前发表的文献来看，第一项的研究，通过“翻译”、注释营造法式，清式工程作法则 例，营造法原，搞清楚了部分榫卯的构造作法，成果已经完成了部分宋式和清式榫卯的形式研究， 但对于大量的地方变种的研究欠缺颇多，必须通过大量的访谈和实践才能更进一步；第二项的研究 成果如前述，在本构关系研究上几乎空白，除王天在古代大木静力分析一文中对榫卯进行过简 单的受力分析外没有其它直接相关的成果。第三项由于和抗震的密切关系而进展迅速，有古代建 筑大木构架体系的构造艺术、古建筑结构特性的计算研究、中国古代大木作结构振动台试验研 究等一系列研究文献发表。但由于缺乏第二项研究基础理论的成果，目前主要停留在实验模拟和 近似假设，计算接近的层面上。 其中的第二项是和笔者的研究连接最紧密的，是本文的重点。第一项研究是第二项研究的基础。 在进行第二项研究前，必须对第一项有所了解，但在整理和补充了部分现有的资料以后，发现如下 问题。 只有图样，没有尺寸，代表范围不广：宋代几种榫卵的尺寸规定几乎没有，营造法原和清 式工程作法则例中的尺寸规定也不详细。而对于其它地域的榫卯，虽然有部分成果，但也缺 少尺寸。为了弥补这一缺陷。笔者除了通过访问匠人补充了部分尺寸作法外，还使用参数化模 型来解决这一问题。参数化模型是指通过分类，将榫卵简化为用各种参数表示的简化模型，首 先研究各参数对于榫卯的影响，再拓展到具体榫卯的分析。这样即使部分的尺寸有所变化，或 者出现新的变种，也可以通过参数代入的办法了解其个体特征。 分类、名称混乱，各个榫卵的论文作者从不同角度对榫卯分类，有的按位置分，有的按名称分， 有的按构件分，有的混用，很多榫卵完全就是一种，但位置或者所处地域不同就有不同的名字。 这都容易造成分析的不合理复杂化，如台湾常见的十种榫卯中的图例和分类，因此，笔者从节 点分析的角度，做如下大分类： 。 二维榫卯：所谓二维榫卯，指这类榫卯在约束节点自由度方面有某固定方向的缺陷。如 燕尾榫在竖向上的约束缺陷。 三维榫卯，指这类榫卯在约束节点自由度方面没有某一固定方向的缺陷或该缺陷已经被弥 补，如用销钉加固的半榫。 具体的分类和说明在以后的相关部分单独列出。 3 研究模式： 榫卵分析模式一律按照下述进行： 对该类榫卯分类，说明建立参数化模型。 数学解析，得出p 一关系，了解参数对节点刚度的影响。 将节点放入构架，获得合理的参数范围或具体的参数数字，解析构架模式，获得较为合理的节 点刚度范围。在构架解析中，同时获得重力方向和水平方向的分析结果。对于水平受力变形的 情况，如果每个案例都将荷载代入构架，计算侧倾值再获取节点抗弯性能数值，一方面会引出 很大的计算分析工作，另方面会陷入“传统木构架侧向变形模式未知构架内力分配未知一 ：声点内力无法求出”的尴尬。因此，只按照可能发生的最大构架侧倾值分析。待了解节点性能 后，再在第四章统一分析。 在参数模型基础上对各种榫卯作法加以分析总结。同时对基本类型外的衍生也加以讨论分析。 绪论 第二节、概念界定、符号说明、坐标说明 本节主要对研究中提出的若干重要概念、名词进行解释。避免混淆；对计算中用到的符号和单 位加以统一说明；并对坐标加以窥定。对研究木构架的地域和时代限定说明。 1 概念说明： 榫卯：特指中国古代术结构的节点构造形式，是榫头和卯口的合称，在本文中将范围限定在大 术作范围内，凡在一个构件上明确分出榫头和卯口的，会明确指出是榫头还是卯口，对于榫头 和卯口同时出现在一个构件的一个位置上时，笳称榫卵。对于小术装修中出现的榫卯不予讨论 研究。该节点形式和木桁架中的齿接，榫接，键接等节点形式无任何关系。 半刚性节点：介于刚性节点和铰接节点之间的一种节点形式，其特征是既允许一定的节点转动， 又能产生一定的抵抗弯矩。 节点极限弯矩 毛：榫卵节点变形所能承担的最大弯矩。 节点截面极限弯矩：按照榫卯截面抗弯计算得到的截面极限应力时的弯矩，有时也简称截面抵 抗矩。 2 符号说明； 舻弯矩，单位k n - m v 剪力，单位 t 扭矩，单位k nm 口表面应力，单位，” 2 n _ 一集中荷载，单位 e _ 一木材顺纹弹性模量，统一取e = o 、9 x 1 0 4 n r a m 2 e 一木材横纹弹性模量，取值按照第二节的规定 i 截砸抗弯模量，单位m g _ 一样卯之间的缝隙，取英文g a p 的首字母，单位m m 口 木材拉应力限值，按现行规范一律取1t n m m 2 彳 木材横纹剪应力限值，按现行规范一律取1 4 n m m 2 f 挠度，单位m 所 p 转角，无单位量纲 p 曲率，单位m 小- 1 l 水平构件跨度，单位m m b _ 一构件宽度，单位m m h 构件高度，单位m 历 d 柱径，单位m u 摩擦系数，顺着纤维为o 4 ，纤维互相垂直时为0 2 ，和石材的摩擦系数取0 4 “1 下标说明： x ，y ，z 下标表示相应方向的变形或外力；s 下标表示为榫卯相关数据；a ，b ，c 分别表示粱的两端 点和中点。 此外，在绘制图表时，凡弯矩单位k n 坍。所有转角未注明者单位弧度，所有氏度，来特别著 明的单位为n l n l ，另有部分公式符号，在具体分析中单独规定说明。 3 坐标规定： 三维坐标x 、y 、z 分别对应建筑的纵向、横向，竖向，在分析中，有时为了论述简单易懂，会 采具；i 其中的一种或混用的表述方法，请参照此坐标说明图l l l 。 9 绪论 4 时代和构架类型说明： 中国传统木构架的连接节点，无论大小位置，都以榫卯连接( 宋以降，亦有部分铁件连接者) ， 各时代、地域之木构，虽形制，样式各有不同甚或差之甚远，但同一节点处的榫卯种类不过、二 种a 差别是由于木构不同所带来的不同的榫卯内力和榫卯尺寸。故对所研究的地域和时代粗略说明 限定。 时代：以清为主，辅以宋式。中国传统木构损毁者众，唐前无实例可依，唐、五代间仅四、五 个例而已，而宋不但遗倒众多，还有营造法式可考，为重要的资料来源。元木构巨变，多不循 常法，明清木构则全面转向粱柱体系，且有清式工部营造则例、营造法原等可考。重清而轻 宋原因有三：一、宋代梁柱交接通过斗棋，此节点的计算模式尚未完全确立，若盲目代入，易引发 不可测的问题；二、现存民居多为清代遗构数量繁多，分布广阔，资料来源多；三、清式构架简 洁，榫卯关系明确，由较易处着手，方便分析。 构架类型：同时兼顾抬粱式和穿斗式。因为榫卯构造形式多变，为能够对研究范围有所限定， 方便研究分析，故尽量取最直接获得资料来源，如中国古建筑木作营造技术，营造法原，清 式营造则例，营造法式，台湾大木结构的榫头台湾传统建筑匠艺二辑，在这些文献中，大多 数榫卯会在抬粱和穿斗构架中同时出现，无法简单的加以区分。 1 0 第三节：木材的力学性能和简化假设 1 木材材性：木材是一种天然材料，其材料属性和我们现在常用的混凝土、石材、钢材和人造 纤维材料相比，有很多差异，突出表现在几以下方面： 第一、各向异性：现代建筑材料所火量使用的混凝土、钢材都是各向同性材料，但是术材是典型的 各向异性材料，其横纹压缩模量比顺纹压缩模量小很多，而且变形模式也相差很大，横纹压 缩时发生的是即使有很大的变形也不会破坏的塑性变形，而顺纹压缩变形为脆性变形，和混 凝土、钢材有类似之处。 第二、材料塑性明显，无论是顺纹或是横纹压缩。都存在较长的塑性区，尤以横纹压缩明显。 第三、材料性能不确定，受环境影响大，不同的含水率，不同的湿度，木材的春夏材比例，虫蛀， 木结都会造成木材性能的差异。 2 。计算简化和假设： 由于存在上述的诸多复杂因素，故作如下规 定、简化和假设： 第一、各向异性：按照相应的研究文献，顺纹受 拉和颞纹受压的弹性模量是相等的，强度 极限有差别。两个横纹方向的压缩模量不 相等。具体取值见下述的塑性分析分析。 第二、材料塑性：分为两种情况，对于顺纹压缩， 虽然有塑性变形区，但是根据现有的术 结构规范，计算强度和变形都不考虑塑 性变形，再考虑到顺纹受力变形的脆性特 点，年u 规范相同的只取顺纹压缩的弹性部 分，即认为顺纹弹性模量是常数。 但在本研究中，涉及到术材横纹压缩 问题，在现行的规范中，没有对木材横纹 压缩的相关说明和规定，只有横纹承压强 度的规定，下述的分析规定主要参考了前 苏联”1 和欧美术材的研究资料w o o d h a n d b o o k ( 以下简称1 1 1 ) 。观察木材应力应 变图中横纹压缩时的受力变形图形( 1 3 1 ) 可以得知，曲线分为三段，第一段是 弹性的直线段，第二段是略微上升的平直 段，该段对应塑性变形区，该段的长度大约 是弹性阶段的两倍，第三段是上翘段，对应 应力硬化阶段。简化图见1 - - 3 2 这里针对本文研究中假设的t c l1 等级 的杉术进行分析： 弹性阶段：杉木的两个方向的横纹压缩 模量并不相等，根据唧的研究资料，其切 向的弹性模量大约是题纹理性搓量鳇 q ：q 塑：焦自曲理蛙搓室厶绉量题煞登世搓 量毂垒! 丝，前苏联教材中统计表明针叶 绪论 1 类树木横纹压缩模量接近顺纹压缩模量的去 没有区分横纹压缩模量的方向造成的。因此， “1 ，这种结果上的误差很可能是前苏联教材中 在本文中，将木材的横纹受压弹性模量设定在 顺纹弹性模量的圭，按照顺纹压缩模量o 9 x 1 0 4 n m m 2 计算，横纹弹性模量大约在 1 5 6 0 0 n m m 2 ，对于处于弹性阶段的应力，w h 的相关数据为2 7 n m m2 ，在我国现行的木结构 规范中，横纹承压强度为l - 8 n m m ：，但是该数值是用于检验承载力极限的，若用于变形验 算，应该将原先的折减系数1 t2 还原，得到横纹承压强度为2 2 n m m2 ，最终本文较为保守 的取现行规范数值2 2 n m m 2 。同时为了能使分析过程简化，将开始进入塑性阶段的缓慢上 升段归入弹性阶段。将横纹承压强度放大2 0 ，弹性模量下降1 0 来简单模拟。经过计算， 得到该阶段的应变界限为0 0 0 5 ，弹性模量5 4 0 ，横纹弹性阶段承压强度q o = 2 6 4 n m m 2 。 塑性阶段：在把塑性区的初始上升阶段归入弹性区后，可以认为塑性段为一条水平直线， 其应变界限在0 0 0 5 0 0 1 5 。 硬化阶段，根据前苏联的统计，针叶类树木的弹性比例极限约为极限强度的3 5 ，“1 考虑到在前述假设中利用了一部分的塑性，还有6 0 以上的剩余强度可以利用。对于横纹 受压的极限变形，无论是前苏联的资料，或者删都没有给出具体数值，且认为应变可以 很大，此处假设其斜率为弹性阶段的0 3 3 ，这一假定在一定程度上符合已知的松木横纹受 压变形曲线另外一方面，这样的假设使得强化阶段的曲线斜率和弹- 陛加塑性区的变形曲线 的斜率一致，比较有利于后述分析的简化。 第三、材料不确定性，按照现行的术结构规范规定，通过折减系数，将木材的强度标准化，对 于本文计算所采用的数据，一律取较有材料代表性的t c l l 杉木。 1 2 绪论 第四节：荷载说明 我们发现过往的榫卵研究成果过于简单化，为求结果的单纯而在分析、计算、实验时给整个结 构施加在实际中不可能的若干荷载。但是，榫卯作为中国古代木结构的重要节点，在分析时自然不 能脱离传统木构架形式这个背景。在分析中所采用的任何荷载数值，应该是在某种确定的构架形式 中，按合理的传力途径实际可达的数值，任何超出这一范畴的数值应该被认为是不合理的。为此， 必须首先解决荷载的计算问题。如：现有的各类荷载规范的设计基准期是5 0 或1 0 0 年，抗震计算规 范没有考虑传统构架的特殊之处，有必要在榫卵节点分析前加以说明。这些分析仅仅包括简单的单 层古建筑，对于更为复杂的多层占建筑，不在讨论范围内。 1 重力荷载：包括屋面荷载和木构架自重荷载，屋面荷载主要利用在南捕厅维修工程中实际获 得的荷载资料和过往研究、工程中间接获得的数据。自重按照现行规范中的取值，数值在分析中结 合具体的构架给出。 2 风荷载：由于现行的荷载规范中缺少1 0 0 年以上风荷载的取值规定，并考虑到研究主要限于 明清两代的建筑，因此假设在现有规范的1 0 0 年周期的风荷载数值上增乘1 5 的系数作为计算分析 的数值。 3 地震葡载：中国古建木构的抗震机制和现在普遍适用的钢筋混凝土、钢结构都不太一样，中 国古建的柱础是浮置于柱础之上的，通过摩擦力传递地震力，此外，在构件交接处存在缝隙，木材 延性变形相对较大，这些都起到了很好的隔震。减震作用。所以直接套用现行规范的抗震模型是不 合适的，在本文中不直接讨论该问题。而是将其转化为木构架在一定转角下产生弯矩，抵抗水平力 的问题研究。 1 3 绪论 第五节：棒卵缝豫和预摩擦力 1 缝隙；榫卯的缝隙对于榫卯的刚度有影响。作为实际施工中的构件，榫卯不可能做到毫无缝 隙，适当的缝隙是中国古建筑的重要结构节点特征。具体的样卯缝隙，和施工方法、工具、工匠的 技艺、水材的性能、气候条件、榫卯的种类都有关系，是离散性很大的数据。统计分析有很大的难 度。但是，对于大量构造合理的建筑，其缝隙应该是在一个合理范围以内的。从施工的角度来看， 一栋施工精良的传统本结构房屋，燕尾榫。箍头榫等都是“砸入“卯口的，比较容易保证榫卵的施 t 精度，可能做到缝隙为零。另外一方面十字卯口榫、螳螂榫、透榫、半榫，馒头榫等，由于是采 用“放置”或者“插入”的施工方法、或者卯口形状比较复杂，容易出现误差，施工缝隙必须考虑。 此处的施工缝隙首先参考古建筑修建工程施工验收规范中的规定，态丕抱仕蝗盐吐：握塑 莹直闻盥缝遂量盔丕超过磐：整签整建捆垡匡盟：丕抱翌搓驰茔直囡鳆闻瞳为挂焦2 q q 丝由4 磐： 2 q q = 3 q q 为婴! q q = q q 蕴8 磐! q q 邀土蕴! q 磐! 鑫查掏鲑窒装咀揎驶回隧放挂焦2 q q 丛囱3 磐： 2 q q = q q 西4 些：3 q q = q q 蕴磐：q q 丛土盘婪! 狴娄控住挂皿鱼盗偏差放搓= 2 。业2 ：查拄挂 型放挂焦3 q q 必由! 避：3 q q = q q ：2 磐：塑丛上3 凹! ! 虽然规定的种类和数值繁多，但可以看出， 维修时在柱径的2 ，建造安装时在柱径的1 5 ，维修时的缝隙要求要低于建造时的要求，如果有 较为优秀的工匠，在此基础上，将缝隙控制在更小的范固以内是可能的。对于制作精良的燕尾榫和 箍头榫，也可以考虑其缝隙为0 的情况。 2 “预摩擦力”： 如前述，燕尾榫。箍头榫等都是“砸入”卯口的，这不但说明榫卯接触面紧密，没有缝隙，而 且说明榫卯接触面之间存在摩擦力。此外，在维修木构或者木构件施工会在缝隙较大的地方打入木 楔。也会提供一些额外的摩擦力。显然，这种摩擦力的存在，可以使得节点之间传递一部分的固端 弯矩，是有利于提高节点刚度的。 但是，要确定这个力的大小是困难的，即便用实验来获取数据，也有可能由于操作者的个体差 异而出现和实际情况的巨大差异，此处先做一粗浅分析，施工时的主体是人，因此该力的必须和人 的力量有关，旄工时，樟卵的摩擦力必定小于入使用工具时的下砸力，由于缺少这一方面的统计数 据，参照人的拳击力，据统计，世界级的拳击手的拳击力可达5 0 0 k g ，一般人的拳击力为1 0 0 2 0 0 k g ， 考虑到施工人员和专业拳击员的差异，同时还加入使用工具和f 砸的高度等有利因素，可以认为将 普通人的力量适当放大，为极限摩擦力数值。最后取摩擦力的最大值为2 k n 。 必须指出，预摩擦力并不可靠，只要木榫头干缩变形，就可能丧失预摩擦力，因此，在理论分 析中可以讨论，但在实际使用中。最好忽略， 注释： 【1 】 营造法式注释卷上p 1 5 3 中国建筑工业出版社1 9 8 3 【2 l h l i p ：w w w c h i n a - m a c h i n ec o m m a c h i n e b a s e ，_ f r i c t i o n f _ 1 8h t m 3 1 a n 巴普洛夹术结构与术建筑物【苏】p 1 2 七海科学技术出版社 4 1w o o dh a n d b o o k c h p 4p 7 1 5 1a 1 1 巴普洛失术结构与木建筑物【苏】p 1 3 上海科学技术出版杜 6 1a i i 巴普洛夫木结构与术建筑物【苏】p 1 2 匕海科学技术出版社 【7 】 占建筑够建工程施工及验收规范编写组古建筑修建工程施工验收规范( 讨论稿) 佛3 - - p