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木结构古建筑的结构与构造——构件连接法及斗栱报告人：张锡成二O一三年十月三十日文物建筑的结构与构造1构件连接法——榫卯连接1.1榫卯连接发展概述河姆渡文化河姆渡遗址木构件榫卯最早的榫卯雏形1构件连接法——榫卯连接1.1榫卯连接发展概述周代周代出土棺椁中的榫卯形式汉代汉代出土棺椁中的榫卯形式1构件连接法——榫卯连接宋代常见的榫卯连接宋代榫卯构造已臻完善1构件连接法——榫卯连接1构件连接法——榫卯连接1.2榫卯连接的类型（1）直榫透榫半榫又称大进小出榫1构件连接法——榫卯连接1.2榫卯连接的类型（2）燕尾榫又称大头榫、银锭榫1构件连接法——榫卯连接1.2榫卯连接的类型（3）管脚榫管脚榫及套顶榫的使用便于安装定位；提供一定的抵抗倾覆弯矩能力；一定程度上维持木构架水平方向的稳定性；限制了柱架在水平荷载的滑移，是一种“滑移限位装置”。1构件连接法——榫卯连接1.2榫卯连接的类型（4）搭扣榫又称扣榫箍头榫十字卡腰榫及十字刻半榫1构件连接法——榫卯连接1.2榫卯连接的类型（5）柱头榫又称馒头榫2构件连接法——销连接2.1栽销在古建大木中，销子多用于额枋与平枋之间、老角梁与他角梁之间以及迭落在一起的梁与随梁之间、角背、隔架雀替与梁架相迭处等，古时也有在檩子，垫板、枋子之间使用销子以防止檩、垫、枋走形错动的．现在已很少采取．另外，在坐斗与平板枋之间、斗栱各层构件之间，也都用栽销的方法稳固。2构件连接法——销连接2.2穿销穿销与栽销的方法类似，不同这处是，栽销法销子不穿透构件；面穿销法则要穿透二层乃至多层构件．用于两层或两层以上构件的叠合连接。穿销2构件连接法——销连接2.2穿销3构件连接法——钉连接在转角大木中，角梁与檩条的连结，除去依靠角梁下皮挖出桁碗，还要使用铁钉把角梁固定在檩条上，以防止下滑。从十二世纪到封建社会末期，角梁由戗一直使用铁钉，钉断面一寸见方，一般为角梁厚度的七分之一，钉直径不可过大，以免角梁木料开裂。大部分铁钉用在椽子和板材的连结上。高大的建筑物中，在柱身过长或柱径过粗时，一根原木往往不敷应用，需要两根以上的原木拼接。（1）木料不够长时，拼接法采用半榫或名巴掌榫。使用铁箍钉连结。用半榫（巴掌榫）拼接柱子3构件连接法——柱的拼接河北正定隆兴寺慈氏阁有一根后金柱，圆柱径为650mm，总长16500mm，由三根圆木拼接而成，有两处接口，分别位于构件高度的约三分点处。（2）柱径太粗，而缺乏大直径圆木时，可用合柱鼓卯拼接而成。合柱鼓卯按《营造法式》合柱鼓卯图样中有二段合，三段合，四段合几种，也就是，由两根、三根或四根原木拼成一个完整的柱身。鼓卯有明有暗，明鼓卯用作柱面或柱底，暗鼓卯用在柱心，鼓卯底广面狭，另一段作榫则面广底狭，因为相合。凸榫可以做成银锭状叫做鞠，也可以做成长方形形状叫做暗楔。3构件连接法——柱的拼接直榫传力分析1.传力分析4榫卯连接的力学性能4.1直榫水平荷载作用下直榫传力分析4榫卯连接的力学性能1.传力分析4.1直榫竖向荷载作用下2.破坏形态4榫卯连接的力学性能4.1直榫由上述分析可以看出，直榫在承受弯矩作用时，将会产生一定的弯曲应力和剪应力，榫颈截面达到极限弯矩后木材纤维会拉断，榫颈发生弯曲破坏和剪切破坏。这在古建筑维修中，如西安东门城楼，常可以见到这种破坏形式——榫头在沿垂直面内出现断裂。燕尾榫传力分析4榫卯连接的力学性能1.传力分析4.2燕尾榫4榫卯连接的力学性能2.破坏形态4.2燕尾榫①榫颈弯断②榫角剪断③卯口剪裂④榫角压缩⑤卯口胀裂⑥榫头剪断⑦卯口劈裂榫角剪断榫角压缩卯口劈裂榫角压缩伴随卯口劈裂4榫卯连接的力学性能4.3直榫、燕尾榫节点柱架拟静力试验透榫柱架燕尾榫柱架1.构件尺寸4榫卯连接的力学性能4.3直榫、燕尾榫节点柱架拟静力试验2.试验装置4榫卯连接的力学性能4.3直榫、燕尾榫节点柱架拟静力试验3.试验现象透榫柱架燕尾榫柱架榫头拔出卯口破坏榫头破坏榫头拔出4榫卯连接的力学性能4.3直榫、燕尾榫节点柱架拟静力试验4.试验结果分析透榫柱架燕尾榫柱架-200-1000100200-8-4048透榫构件1P/kN/mm-200-1000100200-8-4048透榫构件2/mmP/kN-200-1000100200-8-4048透榫构件3/mmP/kN-200-1000100200-4-2024燕尾榫柱架1/mmP/kN-200-1000100200-4-2024燕尾榫柱架2/mmP/kN-200-1000100200-4-2024燕尾榫柱架3/mmP/kN4榫卯连接的力学性能4.3直榫、燕尾榫节点柱架拟静力试验4.试验结果分析刚度退化曲线透榫柱架燕尾榫柱架5斗栱5.1斗栱的发展及演变商代商代由擎檐柱到插栱的演变斗栱的雏形周代建筑斗栱的雏形令簋中形象明显的栌斗古建筑中常见的栌斗立体图5.1斗栱的发展及演变5斗栱四川牧马崖墓出土的东汉明器河南荥阳汉墓出土的汉代明器5.1斗栱的发展及演变周代5斗栱5.1斗栱的发展及演变汉代斗栱的形制有了很大的发展，并已走向成熟，但当时角柱顶部斗栱的做法还是采用双柱。汉代斗栱起始比较笨拙，也比较简单;后来变得层层出跳，层数越来越多。除了大的护斗外，护斗上叠置多层栱，每层又出现小斗(后称为“升”)，并且从一斗二升发展为一斗三升，成为斗栱的标准单元。汉代5斗栱5.1斗栱的发展及演变此时的斗栱出跳均不大，因此承担屋檐时，常采用伸出梁头，其端头放置斗栱。在屋角部分，则两个方向均伸出梁头，分别放置斗栱，后来才有伸出45°斜梁的做法。栱身的变化，由早期的平直短术，渐变为折线或弯曲如花草状的多样形式。就栱身性质而言可有半栱、全栱、交手栱和折尺形栱，可谓斗栱类型已经很多。汉代5斗栱5.1斗栱的发展及演变唐代唐代国运兴盛，土术建筑一也得到迅速发展。建筑的斗栱也已臻成熟5斗栱唐代斗栱（转角铺作）及日本飞鸟式建筑5.1斗栱的发展及演变唐代5斗栱佛光寺大殿建筑中的斗栱5.1斗栱的发展及演变唐代5斗栱补间铺作渐趋复杂5.1斗栱的发展及演变宋代宋代的斗栱已完全成熟并高度规范化，并有了一些明显改进和演变。5斗栱斜华栱的使用5.1斗栱的发展及演变宋代宋代的斗栱已完全成熟并高度规范化，并有了一些明显改进和演变。5斗栱5.1斗栱的发展及演变元代元代建筑上承宋金，下启明清，总的讲来，建筑风格多粗犷、豪放。斗栱用材尺寸降低，斗栱更具装饰性，补间铺作增多。5斗栱5.1斗栱的发展及演变清代清代斗栱形制与宋《营造法式》基本相同，做法制度一也大体相似，但受元、明影响，一也发生了一些变化。根据清工部《工程做法则例》中的有关规定，发生的变化有：，斗栱总高与柱高的比例下降，由隋唐时期的1：2降为1：5。补间铺作的攒数增多。清代斗栱结构功能明显减退，更具装饰性。5斗栱中国历代斗栱的演变状况5.1斗栱的发展及演变5斗栱5.1斗栱的发展及演变中国历代斗栱的演变状况5斗栱5.2斗栱的组成5斗栱5.2斗栱的组成斗——坐斗（宋称栌斗）图3.12斗口斗栱主要由水平放置的斗、升和矩形的栱、翘及斜放的昂等构件组成。5斗栱方栌斗角栌斗圆栌斗讹角栌斗标准栌斗的构造5斗栱5斗栱斗——平盘斗（宋称交互斗）平盘斗是斗的一种，多用在角科斗栱中，一般没有斗耳，用来承托两个方向的栱或宝瓶。5斗栱升——十八斗（宋称交互斗）5斗栱升——三才升（宋称散斗）在单材栱的两端上面承托上一层栱或枋的升。万栱（宋称慢栱）厢栱（宋称令栱）5斗栱栱在瓜栱上面承托正心枯或拽枯的栱，叫做“万栱“。万栱是栱中最长者。斗栱中最外一踩承托挑檐枯，或是最里一踩承托天花枋的栱，叫做“厢栱”。厢栱置于最上层的昂或翘上面。栱是矩形断面的短枯木，外形略似弓，有万栱、厢栱、瓜栱等之别。瓜栱（瓜子栱）正心瓜栱（宋称泥道栱）5斗栱栱栱构件中最短的栱，也是处于最下层的栱;一般来说，瓜栱和万栱多相叠并用，瓜栱托着万栱。位于斗栱左右中线上的瓜栱，也在檐柱中心线上这样的瓜栱叫做“正心瓜栱”。5斗栱翘（宋称华栱/抄栱）“翘”是清式名称，也是斗栱的构件之一。“翘”的形象与栱相同，但方向与栱不同。清式斗栱中的栱是横向的、向左右延伸的矩形短木，而翘是纵向的、向前后伸出并翘起的短木，因前后翘起而得名“翘”。其实，“翘”在宋代时也是一种栱，名为“华栱”，也叫“抄栱”。由昂下昂5斗栱昂在角科45°斜线上，与耍头齐平的昂位于栱前后中线，且向前后纵向伸出贯通斗栱的里外跳，前端有尖斜向下，尾则向上伸至屋内。5斗栱耍头在斗栱的前后中线的翘或昂上，有两层与翘或昂平行的构件，其中下面的一根构件叫“耍头”。耍头出现于隋唐时期，式样比较多，有的没有雕饰，有的加以雕饰。历代建筑中的耍头演变图5斗栱斗栱各构件的位置、名称不同位置一朵/攒斗栱的称谓5斗栱5.3科、铺作角科平身科柱头科宋代：清代：5斗栱5.4出踩、出跳清代翘昂出踩斗栱“出踩”是清制斗栱对挑出的称呼，挑出的距离称为“拽架”。在进深方向，以一翘（或一昂），里外各挑出一拽架称为“二踩”，加中间一个支点，共称为“三踩”。也就是说，清制斗栱以栱中心点为一踩，每叠加一翘（或一昂），就增添二踩。出踩铺作与出跳的关系5斗栱5.4出踩、出跳出跳“出跳”是指以栌科心为轴，向进深方向或面阔方向挑出之意，一栱（或一昂）各向两边挑出一个距离时，均称为一跳。《营造法式》卷四述“凡铺作自柱头上栌科口内，出一栱或一昂，皆谓之一跳，传至五跳止。出一跳谓之四铺作、出两跳谓之五铺作、出三跳谓之六铺作、出四跳谓之七铺作、出五跳谓之八铺作”5.5斗栱的偷心、计心5斗栱“计心”造：每一跳的华拱或昂头上，放置横拱的一种斗拱的结构方法。“偷心”造：指一朵斗栱中只有出跳的栱、昂，跳头上不安横栱的作法。横栱的设置少于斗栱出踩。5.6斗栱的结构作用（1）装饰作用。（2）伸挑出檐。（3）传递梁架、屋盖荷载。（4）减小梁枋跨度，因而大大减小了梁枋中的弯曲应力。（5）隔震、减震耗能。5斗栱5.6斗栱的力学特性传力机理（1）斗栱构件受力分析斗受力分析5斗栱短跳华栱受力分析慢栱受力分析5斗栱5.6斗栱的力学特性传力机理（1）斗栱构件受力分析下昂受力状态昂计算简图5斗栱5.6斗栱的力学特性传力机理（1）斗栱构件受力分析（2）斗栱整受力分析溜金斗栱构造及受力示意图5斗栱（1）斗受压劈裂破坏各类斗均为受压破坏，其中栌斗承担全部上部荷重，随着荷载增加，受压区木材在横纹受压和横纹剪切应力作用下断裂，以至栌斗构件劈裂破坏。栌斗劈裂破坏5斗栱5.7斗栱的破坏形式（2）长跳华栱压弯劈裂破坏长跳华栱压弯受力分析试验破坏形态5斗栱短跳华栱是受弯构件，荷载较小时，具有良好的弹性和韧性，随着荷载的增加，栱的弯曲变形增加，最后栱承受较大的弯矩和剪力达到承载力的极限而发生弯剪破坏。（4）短跳华栱弯剪破坏泥道栱开槽坐于栌斗下卡短跳华栱，相当于断面减小后的悬臂梁，很容易从开槽处撕裂。（3）泥道栱槽口撕裂图3.55短跳华栱弯剪破坏5斗栱（5）慢栱弯曲破坏慢栱受力分析慢栱试验破坏形态5斗栱5.8铺作层拟静力试验试件的设计和制作为了研究铺作层的结构性能，按照《营造法式》制作了8个斗栱模型进行单朵斗栱、2朵斗栱协同工作、4朵斗栱协同工作水平低周反复荷载拟静力试验，试验模型如图3.58所示。试验模型5斗栱构件分解示意图构件尺寸5斗栱加载方案加载装置示意图mm100（1）竖向恒定荷载N，可由水平自由滑动千斤顶通过木梁施加到斗栱上，水平荷载由水平电液伺服仪施加。（2）试验采用位移控制加载，初始值，每级位移增量为10mm。5斗栱测点布置仪表布置示意图41WW21ZZ在模型平面内布置4个电子位移计,来测量斗栱各层构件的水平位移。在长华栱和栌斗侧面各布置4个数字式角度传感仪，来测量平面内的角度。5斗栱仪表布置示意图5斗栱测点布置5斗栱试验现象试验结论通过对单朵斗栱、2朵斗栱协同工作、4朵斗栱协同工作的模型的低周反复荷载试验，可以看出铺作层主要以滑移变形为主，且具有很好的滑移变形能力。在荷载作用下，斗栱各构件变形较小。馒头榫产生大量的挤压变形。虽然斗栱本身未破坏，但大量的滑移会导致屋盖落架破坏。5斗栱