<mark id="ttvfz"></mark>

    <dfn id="ttvfz"></dfn>
    <ins id="ttvfz"></ins>

    <delect id="ttvfz"></delect>

      <rp id="ttvfz"><dfn id="ttvfz"></dfn></rp>

      <var id="ttvfz"></var>
      <mark id="ttvfz"></mark><thead id="ttvfz"></thead>
      設為首頁 加入收藏
      科技前線
      木結構建筑的抗震之謎
      [ 編輯:admincn | 時間:2014-12-01 01:54:42 | 瀏覽:次 | 來源: | 作者: ]

      7497890125673881214.jpg

      當人類告別洞穴學會用樹枝搭建遮風擋雨的居所開始,建筑就伴隨著人類社會發展而日新月異。但在歷史的長河中,由于地理差異,逐漸形成兩大建筑結構。一種是以磚石為主的堅硬建筑,表現為歐洲的城堡和教堂;另一種是以天然木材為主的柔軟建筑,表現為中國的殿閣樓臺。

      在現代工業文明到來之前,這兩大建筑類型在各自的地域和社會中不斷發展,幾乎達到了各自建造技術的極致。我們姑且暫時將城堡和教堂放在一邊,來看一看木結構建筑的特點和抗震之謎。

      震后不倒的木結構建筑

      在汶川地震中,四川都江堰青城山前山有部分木結構的別墅建筑,在災后的實地調查中人們發現,建筑面積約200平方米的木結構房屋底層裂縫最多出現了6處,二層的裂縫最多出現了2處,但并不影響結構安全性和正常使用。

      清華大學建筑學院教授王貴祥在接受《中國科學報》記者采訪時介紹,我國古代木結構建筑有不少經歷了數百上千年,仍然巋然屹立。

      比如位于天津薊縣盤山腳下的獨樂寺,始建于唐代,寺內的觀音閣和山門重建于遼代。自重建以后千余年來,獨樂寺曾經歷了28次地震,其中清康熙十八年(1679年)三河、平谷發生8級以上強震,薊縣城內官民房屋全部倒塌,只有觀音閣不倒。1976年唐山大地震,觀音閣及山門的木柱略有搖擺,但整個大木構架安然無恙。

      還有位于山西省應縣城西北佛宮寺內的應縣木塔,建于遼清寧二年(1056年)。據史書記載,在木塔建成200多年時,當地曾發生過6.5級地震,余震連續7天,木塔附近的房屋全部倒塌,只有木塔巋然不動。上世紀初軍閥混戰的時候,木塔曾被200多發炮彈擊中,除打斷了兩根柱子外,別無損傷。

      2009年,日本和美國科學家進行了一次木結構建筑抗震實驗。他們在一座實驗工作臺上建造了一座7層高的木結構建筑,然后制造一次相當于里氏7.5級的人造地震,震動持續了40秒鐘。實驗結果顯示,木結構建筑對強烈地震有較高的耐受力。

      天然木材以柔克剛

      木結構建筑為何有如此奇特的抗震性能呢?中國工程院院士、中國地震局工程力學研究所原所長謝禮立在接受《中國科學報》記者采訪時指出,木結構建筑擁有一定的抗震性能主要是由其材料決定的。中國古代木結構建筑大多用天然木材,天然木材本身質地較軟,比磚石混凝土和鋼材有更好的柔韌性,這就使天然木材可以承受更大的形變。同時,天然木材一般比較輕,整個建筑的重量就比磚混和鋼結構的建筑要輕得多。這些都有利于抗震。

      長期從事古建筑修繕工作的北京大前門公司總工程師高飛告訴《中國科學報》記者,一般木結構建筑主要采用松木、杉木,這些針葉樹木既能承重又有韌性,而楊木、柳木因為易斷裂,則不會用在木結構建筑中。高級的木結構建筑的連接件會用金絲楠木等成材年份長,韌度高的木材,但在國內,這些名貴木材已經在明清兩代被采伐殆盡,F在,故宮大殿翻修都很少更換柱子,因為如此堅韌而且體量大的木材,國內已經沒有了,如果更換,就只能去非洲采購了。

      高飛介紹,采伐后的木材并不能直接就用于建筑,因為這時的木材含水率很高,不加處理使用后會導致建筑日后變形。因此,木材采伐運輸后,要進行烘干,一種是自然晾干,但是耗時長,一種是逐漸加溫烘干,時間短。烘干后的木材在壓力下可以變形,但不會斷裂,壓力消失后,還可以恢復原樣。這也是天然木材作為建筑材料的優勢。

      可變形的框架結構

      除了天然木材本身的可塑特性外,木結構建筑擁有可變形的框架結構。比如,一把木椅子,你使勁晃動,它會吱扭作響,但是椅子不會散架。

      高飛告訴記者,我國古代木結構建筑主要由四部分組成,分別是地基、基礎、墻柱、屋頂。其中,地基是由石灰、黏土和細砂所組成的三合土夯實的。地基上面是基礎,我國木結構建筑的基礎一般是獨立基礎,也就是砌個大磚臺。這使基礎和上面的木建筑整個是一體的,一旦發生震動,雖然下面的地基會晃動,但是由于上面是個整體,所以晃動而不散架。

      而且木結構建筑不像磚混建筑,它沒有承重墻,它的墻體只承受自身的重量而不承受建筑其他荷載。承重的只有柱子。

      清華大學土木工程系教授錢稼茹在接受《中國科學報》記者采訪時指出,木結構建筑的支撐柱不是釘死在地基里的,而是放在石頭基礎上,也可以移動。在汶川地震后,當地的許多木結構建筑的柱子就發生了移動,但是建筑本身沒有倒塌。這種特點使人們在大地震過后經?吹“墻倒屋不塌”的景象。

      如果說基礎和柱子讓木結構建筑有個堅實的下盤,那么不用釘子的構件連接則是木結構框架晃而不散的根源。

      錢稼茹告訴記者,木結構建筑構件之間的連接方式可以有效地消解地震能量,F代磚混建筑要求構件連接緊固牢靠,一旦發生地震,過緊的連接沒有變形的余量,很容易斷裂。而木結構建筑的構件連接是榫卯結構,榫卯連接既不會讓各構件分開,同時又有余量。

      榫卯是極為精巧的發明,我們的祖先早在7000年前就開始使用,已知出土最早的帶有榫卯結構的木制品,就是河姆渡遺址發現的木地板。這種不用釘子的構件連接方式,使得我國傳統的木結構成為超越了當代建筑排架、框架或者鋼架的特殊柔性結構體,不但可以承受較大的荷載,而且允許產生一定的變形,在地震荷載下通過變形吸收一定的地震能量。

      工藝精巧剛柔相濟

      謝禮立告訴記者,除可變形的框架結構外,木結構建筑構造精致,無論是基礎、墻柱、屋頂,還是連接的榫卯和支撐房檐的斗拱,都設計巧妙,與磚混結構建筑相比,木結構建筑構造要復雜得多,這也使其擁有更大的變形承受力。

      高飛介紹,木結構建筑中有個獨特的構件——斗拱。它很好地體現了分散受力的原理。在立柱和橫梁交接處,從柱頂上的一層層探出成弓形的承重結構叫拱,拱與拱之間墊的方形木塊叫斗。兩者合稱斗拱。過去古建筑都要有屋檐,出挑的屋檐必須要有木料支撐才不會塌落。但是,如果用一根木料支撐,承受力顯然不夠,而且那么大的木料也并不好找。于是古代工匠就想出一個巧妙的辦法,將整根木料化整為零,在柱子上像搭積木一樣,縱橫交錯逐級伸出,這樣不但用的木料少,而且承受力也比只用一根木料大得多。形象地說,斗拱就像個大彈簧,在木結構建筑中起到了消解地震能量的作用。

      獨樂寺觀音閣之所以在多次強震中屹立不倒,主要是斗拱起了作用,觀音閣的斗拱設計十分巧妙,在沒有一顆釘子固定的情況下,通過七層木塊的相互交織,達到了相互連接固定的作用,這樣在地震出現時能及時減緩外部的壓力,具有很強的抗震性能。

      高飛告訴記者,除斗拱外,在木結構建筑中由于柱子起到支撐整個建筑的承重作用,因此柱子的加工也十分重要,并非在木材外刷上漆就完事了。我們平時在故宮、天壇看到的那些大殿的柱子都有復雜的加工工藝。一般要先把木材刨光打磨,之后在表面纏上麻絲,再在麻絲外刷上灰,等灰和麻絲固結干燥后,再重復五遍這樣的工藝,最后,再刷上防雨漆,才算大功告成。經過這樣處理后的柱子可以支撐住木框架,保證建筑的一體性。

      高飛指出,木結構建筑中不用木材的地方有兩處,一是基礎、二是屋頂的瓦。由于材質不同,它們與木材之間是怎樣連接的呢?

      首先說說基礎,由于柱子為木制,所以立柱與基礎之間放置柱腳石,以防止柱子受潮腐蝕。柱子、柱腳石、基礎三者之間是不存在可靠連接的,而是直接把柱腳石放置于基礎上,再把柱子立置于柱腳石上。這樣受到震動時,柱子可以小幅度移動。

      瓦與木材是通過一種特制的粘合劑連接的,首先把青灰、白灰、麻刀絲拌勻,均勻地涂抹在屋頂木材上,大約涂4公分厚,之后,再涂上8公分厚的黏土與白灰混合的大泥,最后,把瓦鋪在這上面,等干燥后,瓦與木材就連接在一起了。所以,我們常?吹揭恍┠甏眠h的木結構建筑屋頂上長草。

      大范圍推廣有局限

      既然木結構建筑有很好的抗震性能,為何不大面積推廣呢?在謝禮立看來,木結構建筑確實有較好的抗震性能,在地震多發的日本,低矮的木結構建筑較多。但是人生活在地球上并不是只有地震這一種災害要面對,房屋建筑還要滿足防風、防雨、防火、防蟲蛀等多種要求,這樣看,木結構建筑的功能就顯得單一了。因此,目前世界上的主要建筑還是以磚混建筑為主。

      在高飛看來,盡管木結構建筑有一定的抗震特性,但是,它受高度限制,除了一些木塔外,很難看到高于20米的木結構建筑。由于現代建筑越建越高,所以木結構建筑逐漸退出歷史舞臺,取而代之的是混凝土剪力墻結構,而如果超過100米,則多用鋼結構,因為鋼結構重量比混凝土輕,而且抗拉伸力也較好。

      錢稼茹也認為,平時人們在美國、日本看到的現代木結構建筑多為一兩層的,這與木材的特性有關,對于高層建筑來說,天然木材力學性能有限,加上防火的要求,所以木結構不適合高層建筑。

      盡管木結構建筑已不再是現代建筑舞臺的主角,但是其獨特的構造理念和力學設計還是值得人們去研究和借鑒。

      清華大學建筑學院教授王貴祥在接受《中國科學報》記者采訪時認為,盡管目前人們對木結構建筑的抗震性能有較為一致的觀點,比如,其可變形的框架結構可以消解水平荷載積累的能量,但是具體原因仍然缺乏數理計算。

      高飛也告訴記者,我國古代木結構建筑的承載負荷不是靠力學公式計算出來的,而是通過工匠世代傳承、經驗積累出來的。比如什么樣的建筑,用多大的梁?多大的檁?文字并沒有記載,全靠工匠的經驗。我國木結構建筑的書籍記載的只是工法,不像西方建筑學有復雜的力學計算。

      在王貴祥看來,目前,搞結構力學研究的學者往往都只盯著高層建筑,對古建筑不感興趣;而搞古建筑研究的學者又不掌握力學的數理計算方法,只研究古建筑的歷史、法式等。這種現狀造成對木結構建筑研究的空白。他建議,應該設立跨領域的古代木結構建筑研究學科,使對木結構建筑的研究不再僅停留在歷史和文化層面。

       

      】 【打印繁體】 【投稿】 【關閉】【評論】 【返回頂部
      [上一篇]“童顏神器”系三無產品;網店自創難辨真假 [下一篇]過度游戲:小心精神疾病找上門
      評論
      稱呼:
      驗 證 碼:
      內容:
      相關欄目
      熱門文章
      最新文章
      推薦文章