明清木构楼阁构架演替中拼柱榫卯及受力机制研究

The study is an intergrated architecture history and structural analysis on timber pavilion in Ming and Qing dynasty. The frames of timber pavilion in Ming and Qing dynasty are signinficantly different from that of Tang and Song dynasty，which is an important study of arcitecture history and theory.The main character of it is the continuesed coulmn frame took the place of stack-up frame.But the reasons, especially the structural reason of this upheaval in frame has not been answered yet. One important reason is the core technique, mortise and tenon which combining the column is so complex and need study method from many field. The study aims to partly solve the problem. Firstly, the frames of Chinese timber pavilion in Ming and Qing dynasty will be arranged and resorted. Those changes which were highly related with the continuesed column frame will be picked up for further studies. Secondly, the mortise and tenon which combining the coulmn will be studied and measured with mordern survey and draw techniques, inculding nondestructive examination. And the positions of these joints will be recorded too. Then some structural experiments will be empolyed to study the structural behavior of the joint when the crafts changes.Finally, Some structural analysis model will be build up from these studies to reveal the real structural reasons of frame changes. The result will be helpful to build up a better better understanding of timber pavilion, a more complete frame in architecture history and theory and a better structural heritage reservation study and practise.

本课题为一项综合建筑学，结构分析和木材检测多学科研究方法，针对明清楼阁构架演替中的榫卯和受力机制的基础性研究。明清木构楼阁是传统木构建筑的重要组成部分。其构架演变中以通柱造代替层叠式的结构驱动机制至今不明。这与当前研究中缺少针对其核心技术拼柱榫卯的基础研究和综合建筑历史理论与结构分析的方法均有关。本研究即针对性的结合多学科研究方法，解析明清楼阁构架受力机制和节点构造的关系。第一、结合构架研究成果，梳理和拼柱密切相关的作法；第二、结合榫卯研究和多种测绘手段，包括无损检测技术，综合研究现存明清木构楼阁典型案例中，拼柱榫卯的构造和位置。并结合结构试验方法解析其作用机理；第三，建立半刚性有限元节点框架模型，定量比较、分析明清木构楼阁演替过程的受力差异，重新梳理其演替规律。本课题的阶段性成果不但是对明清楼阁构架演替的再认识，也可帮助充实完善建筑历史理论研究体系和针对古建遗产的结构研究与实践。

本研究课题针对中国建筑遗产中的一类，明清楼阁进行研究。主要对象为该类型楼阁的拼接柱节点。.主要研究内容包括如下三个方面：.第一，.节点形式的调研.第二，.节点的侧向刚度，加固方式和破坏模式分析.第三，.基于拼柱节点的楼阁侧向刚度研究.基于上述研究内容，共获得如下个方面的成果：.第一，.楼阁发展历史脉络梳理和整理，归类整理了传统木构楼阁结构演化的基本脉络，并指出了明清楼阁结构发展的必然性.第二，.明清楼阁调研，共调查研究了11处建筑遗产，均为国家级文保单位，此外拍照记录20余处。明确了部分建筑内拼柱节点的存在、位置和形式.第三，.拼柱榫卯节点的超声波无损检测，通过对36个拼柱试件的超声波检测，明确了一套切实可行的拼柱节点测量方法.第四，.拼柱节点的试验分析，第一次针对6个杉木材试件，第二次针对96个松木材构件，进行了水平侧推力下的单节点低周往复试验，获得了各类节点的侧向刚度数据，大约在0.16-0.3kN/mm左右，极限承载力为10-20kN(200mm直径)，明显低于连续柱刚度。.第五，.完成了可适用于木材复杂应力下的Vumat分析材料模型，并应用于配套有限元中，与试验数据一定程度上吻合，提供了试验分析外的手段.第六，.通过实验和有限元分析软件，比对性分析和研究了拼柱节点的加固方法，指出传统的包镶柱铁件作法约可提高节点极限承载力一倍，并明确，同样直径下，包镶柱刚度大于非包镶作法20%以上。.第七，.分析了基于拼柱节点的楼阁在侧向力作用下的内力分布和变形，指出节点高于楼板1米的拼接位置使得该节点承担荷载大大降低，是传统明清楼阁建筑中该节点普遍存在的内因。通过比较该节点和同尺度下梁柱节点刚度，指出其虽然明显低于连续柱，但大于梁柱节点，加上其有利位置，在楼阁侧向力计算中，和连续柱差别不大，因此没有必要进一步使用高强材料如碳纤维包裹的加固方式。.上述结论，对于认知传统木结构有重要的补充意义，同时对保护重要的文化遗产，提高修复时的工艺水平也有积极作用