第３２卷第１期 ２０１８年１月 兰州文理学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａ１ ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｔｓ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ） Ｖｏ１．３２ ＮＯ．１ Ｊａｎ．２０１８ 文章编号：２０９５—６９９１（２Ｏ１８ Ｊ０１ ００４１－０５ 中国古建筑木结构性能初探 刘大为 （兰州文理学院师范学院，甘肃兰州７３００００） 摘要：研究了中国古建筑木结构的基本特点，认识到中国古代木结构的基本单元为矩形，构件之间的连接为榫 卯连接．利用简单的结构模型，对中国古代木结构的稳定性、在单个构件失效时的非敏感性以及良好的抗震性 能做出初步论证． 关键词：中国占代木结构；构架；基本单元；连接；稳定性 中图分类号：ＴＵ３１１１．２ 文献标志码：Ａ ０ 引言 和图２所示．抬梁式结构的建筑成熟于春秋时期， 穿斗式结构的建筑成熟于汉代．抬梁式结构是以 中国的木结构制作已有数千年历史，别具特 柱上架梁，梁上安装短柱，短柱上再架短一些的梁 色构造精妙、结实牢靠，是中国的国粹ｌ＿１ ］．相邻的 的方式组成．抬梁式结构的建筑，其室内少支柱或 构件之间用榫卯连接，结构的基本的单元是矩形， 者无支柱，从而可使室内空间开阔，但是建造抬梁 这两点是中国古代木结构，特别是中国古建筑的 式结构的建筑需要用较大的木材、耗材量也较大． 木制框架结构（见图１和图２）的基本特点．中国 的木结构不仅在构件问的连接方式不同于源于西 方的桁架结构，其结构的基本单元也不同于桁架 结构．我们知道，桁架结构的基本单元是三角形， 如图３所示．桁架结构的基本单元之所以是三角 形，是根据古希腊人所认识到的一个几何学原理： 三个边长分别是确定的三角形，其形状是确定的． 因此，以三角形为结构单元的桁架结构的每一杆 件都位于确定位置，这就是说以三角形为结构单 元的桁架结构具有几何学的稳定性［。 ］．中国古代 木结构保持结构稳定性的原理不同于西方的桁架 结构，但是，中国古建筑不仅完全能够承受常规载 荷（根据使用需要确定的载荷），即使是在非常规 （ａ）抬梁式结构轴测图 载荷（来自非使用需要本身的突然作用的强载荷， 例如地震）作用下也可以保持结构的原有状 态ｌ２ ］．实践表明，中国古代木结构从力学角度上 讲具有稳定性．中国古代木结构保持结构稳定性 的原理以及中国古代木结构在结构稳定性方面所 具有的特点是值得探讨的问题 ］． １ 中国古建筑构架的形式及连接方式 （ｂ）抬梁式结构侧视图 中国古建筑多为木制框架结构的建筑，其结 图１ 中国传统建筑的抬梁式木构架 构可分为抬梁式及穿斗式两种主要形式，如图１ 收稿日期：２０１ ７－０５—１ ７ 作者简介：刘大为（１９４８～），男，辽宁沈阳人，教授，主要从事力学方面的教学与研究．Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｗｅｉ＿１１１＠１６３．ｃｏｒｎ 兰州文理学院学报（自然科学版） 第３２卷 图３一种桁架结构 （ａ）穿 Ｉ＿．１＝ｌ＝结构轴测 于南方民宅．抬梁式、穿斗式这２种小结构均采用 榫卯连接，如图４所示．术制结构巾采用榫卯，在 中国具有久远的历史，可以追溯到新石器ｎ，ｔｆ￣，在 距今约７００００年的河姆渡文化遗址．人们发现了 大量有榫卯结构的木制构件（ 图５）．抬梁式、穿 Ｔ ｉ ’ Ｉ ｌ ＼ 、 ● －Ｉ．式这２种巾旧传统建筑的主硬结构体现了中同 ● ／ 古代术结构的 本特点 ．可以观察｝｛Ｉ，中国古 代小结构的基本特点是：基本单元为矩形，主要的 连接为榫卯． （Ｉ ）穿 Ｌ武结十勾 桃 图２ 中国传统建筑的穿斗式木构架 ２ 中国古代木结构保持形状稳定的 力学原理 ６（ａ）展永的是一个南若干相互平行的短 杆与两个相互平行的长杆用直榫卯连接起来的基 大型的和重要的中罔古建筑（宫殿、庙宇等）几乎 都采川抬梁式结构建造，抬梁式结构在北方比较 流行．穿斗式结构的柱子比较密，而柱径略小，不 设承力的梁，来自屋顶的载荷．直接作用于柱上· 整体框架用“穿”贯于柱问形成．穿斗式结构的建 筑减小了大水材的耗刚，但是室内柱子密集，对房 本单元为矩形的小制结构，陔结构是最简单的以 矩形为单元川榫卯连接的术制结构，泫结构可以 比较日Ｊ１显地体现以矩形为 元用榫卯连接的木制 结构的力学特性． 屋内格局的安排有一定妨碍．穿斗式的结构多 国 （ｉ）歼川睹样 （ｋ）叫燕 棒 （ｊ）沟槽椿 图４若干种榫卯结构 第１期 刘大为：中国古建筑木结构性能初探 ４３ 霪麈 摊 ６（ ｔ）所腱示的结构中，似若任意一个矩 形 元的形状…ｔ－Ｉ 彤改变为 矩形的平行四边 彤．根据平仃ｐ１Ｊ边肜的对边必然相互平行的几何 性质．各个矩彤 无的形状都会发生变化，成为其 Ｅ形状的平行『儿｛边彤如罔６（ｂ）所示． 每一单元 彤状的变化必定会造成短杆两端连接部他的榫以 及短朴的琏体（假扮短杆较细）发生弯 变形．由 于各个 仆的琏体及其上的榫郜发生弯ｆｆｆＩ变彤， 于是会形成很久的使结构单元恢复为矩形的恢复 力．所以对于以 Ｊ 为 元用榫卯连接的小制结 构．其原仃的符个 本单元为矩形的状态是一种 稳定的平衡状态．根据对图６所永的力学模型的 泔论．ｎＪ’以彳亍…，ｌｆ１同占建结构其使结构保持固有 位 的原理不足使结构不动，在理论＿Ｊ ， 整体上 可以做动．但是整体的同有位置是稳定的平衡位 ，所以，从力学原理讲巾同古代木结构是一种形 状稳定的结构．这种稳定性决定了巾同古代木结 构对单个构件的失效具有非敏感性，ｌ， ｊｔ且具有良 ，、Ｉ ．好的抗震性．¨、●０ ． 一 一阢 一 ． ． （ ）最简 的以 形为 ７亡川桦卯连接的小制结构 Ｆ （ｈ）千牛个 形单元变化为ｊ 它形状的 ｆ川ｑ边彤＿Ｊ１ｆ郴县ｆ『恢 为 形的趋势 图６ 用榫 Ⅱ连接起来的基本单元 为矩形木制结构的简单模型 ３ 中国古代木结构对单个构件失效 的非敏感性 对于 ６所示的力学模犁，似若有一短杆ｌ夭１ 断裂ｍ失女竹；川，仅仅是减少了结构的一个矩形， 整个结构仍然足用榫卯连接的 本 元为矩形的 结构，结构的外轮廓也仍然保持原有形状如图７ 所示。任意一个矩形单元的形状南矩形改变为其 它形状的平行ＩＪｑ边形．也会使各个矩形单元的形 状都变为其它形状的平行四边形，各个短杆的基 体及其上的榫也会发生变形。所以，仍然会形成很 大的使结构单兀恢复为矩彤的恢复力．这一失效 短杆所应承受的载荷被其余的保持效川的短杆平 均承担．这说明．巾国古代小结构对于除ｌ『基干部 件（例如大梁）以外的单个构件的失效具有非敏感 的特性．这一特性使得很多巾同传统建筑在很多 构件脱落、断裂的情况下，仍然可以保持建筑的原 有框架结构， 且具有足够程度的承载能力，对中 国古建筑维修时，例如在对应县小塔以及北京故 宫的多处殿宁进行维修时，人们都发现了这一 点Ｉ。。 ．这一特性是现代的桁架结构所不能企及 ４４ 兰州文理学院学报（自然科学版） 第３２卷 的［ｓ］，我们知道，桁架结构的力学模型是由铰链联 接的直杆所构成的二力杆系统．在经常的情况下 桁架结构只要一杆失效，桁架结构就会因为失稳 而迅速失效 ］．例如，对于图５所示的这种被普 遍采用的桁架结构，若其内部的一个腹杆失效，则 所示的桁架结构成为内部自由度为ｌ的四杆机 构，若其中的一个弦杆失效，整个桁架结构就成为 内部自由度为１的二杆机构，这种内部自由度大 于零的可动的结构对荷载没有抵抗能力，在荷载 的作用下，结构内部发生相互运动，使得整个结构 迅速失稳破坏 ～．在西方建筑的工程史上，不乏因 为一个构件的破坏或者失稳而导致整个结构破坏 的例证 ｊ． Ｆ 图７一短杆失效后，用榫卯连接起来的 基本单元为矩形木制结构的结构特性未变模型 ４中国古代木结构的抗震性 地震波存在沿竖直方向传播振动的纵波以及 沿水平方向传播振动的横波这两种的行波． 因为建筑物更容易在水平方向的振动下破坏，所 以相应所作的研究也比较多ｌｌ “］．我们也针对沿 水平方向传播振动的横波，用简单模型（见图８） 讨论中国古代木结构的抗震性．对于图８所示的 力学模型，存在水平地震波时，在上半周期（见图 ８（ａ）），假设力学模型的左侧下方Ａ点受到地震 水平波向右的作用，右侧上方ｃ点受到由障碍物 所产生的向左方的作用力，于是力学模型向左方 倾斜，基本单元及整体都成为向左方倾斜的平行 四边形；在下半周期（见图８（ｂ）），假设力学模型 的右侧下方Ｄ点受到地震水平波向左的作用，左 侧上方Ｂ点受到由障碍物所产生的向右方作用 力，于是力学模型向右方倾斜，基本单元及整体都 成为向右方倾斜的平行四边形．当模型在随同地 震波作阻尼强迫振动时，阻尼的来源是榫与卯之 间的摩擦，以及短杆的内摩擦．这两种摩擦可以消 耗传递给结构的能量，地震波所造成的结构的应 变能相应减小，于是减小了结构破坏的可能性．对 于一个实际的木构建筑，其框架结构有大量构件， 并且各个构件之间都是用榫卯连接的，因此，通过 榫与卯之间的摩擦，以及短杆的内摩擦所耗散的 能量是很大的，这会大量削减由地震所造成的在 结构内所储藏的应变能，于是在相当大的程度上， 减小了古建的框架结构在地震时破坏的可能性， 地震往往破坏了古建的墙体，但是由于框架抗震 性很强，仍然保持完好，所以对古建经常有“墙倒 屋不塌”之说．有关文献研究表明：古建筑木结构 具有良好的抗震性能，同时，古建筑木结构良好的 减震、隔震措施为现今解决结构隔震、控震问题提 供了一条合理的途径 刮． Ｆ （ａ）上半周期结构状态 Ｆ （ｂ）下半周期结构状态 图８古代木结构的抗震性模型 ５结语 中国传统建筑的框架结构，由于其材质是木 材，基本单元为矩形，连接为榫卯，这既使得结构 的整体可以微动，又使得结构整体的固有位置是 稳定平衡的，所以，中国古代木结构在力学上是一 种稳定的系统，这种系统对单个构件的失效具有 非敏感性以及良好的抗震性．中国古建筑的框架 结构具有独到的优异性能． 第１期 刘大为：中国古建筑木结构性能初探 ４５ 进展［Ｊ］．力学进展，２０１２，４２（５）：６４１—６５４． 参考文献： ［７］李铁英，秦慧敏．应县木塔现状结构残损分析及修缮 Ｅｌｉ谢立红．中国古代建筑展ＥＭ］．北京：中国民主法制出 探讨ＥＪ］．工程力学，２００５，２２（ｓ１）：２００—２１２． 版社，２０１２． ｉ－８］周乾，闰维明．故宫古建筑结构可靠性问题研究ＥＪ］． ［２］赵鸿铁，薛建阳，随袭，等．中国古代建筑结构及其抗 文物保护工程，２０１２（５）：５９—６５． 震Ｉ－Ｍ］．北京：科学出版社，２０１２． ［９］刘大为．世贸大厦坍塌的力学研究ＥＪ］．科学技术与工 ［３］张崇文，曾思庄。结构力学［Ｍ］．北京：高等教育出版 程，２００５，５（６）：３７８－３８１． 社，１９８５． ［１Ｏ］高大峰，赵鸿铁，薛建阳，等．中国古建木构架在水平 ［４］支秉深，包世华，雷钟和．结构力学［Ｍ］．修订版．北 反复荷载作用下的试验研究［Ｊ］．西安建筑科技大学 京：广播电视大学出版社，１９８７． 学报：自然科学版，２００２，３２（４）：３１８—３２３． ［５］赵鸿铁，张风亮，薛建阳，等．古建筑木结构的结构性 ［１１］姚侃，赵鸿铁，薛建阳，等．木结构古建筑的抗震性能 能研究综述［Ｊ］．建筑结构学报，２０１２，３３（８）：１—１Ｏ． 分析［Ｊ］．建筑科学，２００７，２３（７）：４７—５０． Ｅ６］陈志勇，祝恩淳，潘景龙．中国古建筑木结构力学研究 ［责任编辑：史宝明］ Ａ Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ａｎｃｉｅｎｔ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｗｏｏｄｅｎ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ Ｌ儿 Ｄａ—ｗｅｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｔｓ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｎｃｉｅｎｔ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｏｏｄｅｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ ｉｔ ｉｓ ｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｕｎｉｔ ｏｆ ａｎｃｉｅｎｔ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｏｏｄｅｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｒｅ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ ｍｏｒｔｉｓｅ ａｎｄ ｔｅｎｏｎ ｊｏｉｎｔｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ ｉｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｗｈｅｎ ｉｎｄｉｖｉｄｕａｌ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｆａｉｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｓｅｉｓｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｎｃｉｅｎｔ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｏｏｄｅｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｎｃｉｅｎｔ Ｃｈｉｎｅｓｅ ｗｏｏｄｅｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｆｒａｍｅ；ｂａｓｉｃ ｕｎｉｔ；ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ；ｓｔａｂｉｌｉｔｖ （上接第２３页） Ｎｅｗ Ｅｓｔｉｍａｔｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓｍａｌｌｅｓｔ Ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ ｏｆ Ｈａｄａｍａｒｄ Ｐｒｏｄｕｃｔ ｏｆ Ｎｏｎｓｉｎｇｕｌａｒ Ｍ—ｍａｔｒｉｃｅｓ ＬＪＵ Ｘ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｂａｓｉｃ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｉｃｈｕａｎ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｇｕａｎｇｙｕａｎ ６２８０１７，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｆ Ａ ｉｓ ａ ｎｏｎｓｉｎｇｕｌａｒ Ｍ—ｍａｔｒｉｘ。ｓｏｍｅ ｎｅｗ ｌｏｗｅｒ ｂｏｕｎｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｓｔ ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ ｏｆ Ａ。 Ａ一 ａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ｄｉｓｋ ｔｈｅｏｒｅｍ ａｎｄ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕ１ａ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｊｎｖｅｒｓｅ ｍａｔｒｉｘ． Ｔｈｅｏ— ｒｅｔｉｅａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｅｘａｍｐｌｅ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｅｗ ｂｏｕｎｄｓ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｅｖｅｒａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｌｉｔｅｒａ— ｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｍ—ｍａｔｒｉｘ￣Ｈａｄａｍａｒｄ ｐｒｏｄｕｃｔ；ｓｍａｌｌｅｓｔ ｅｉｇｅｎｖａｌｕｅ；Ｄｉｓｋ ｔｈｅｏｒｅｍ
