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木结构古建筑的结构与构造——基础、台基与础石报告人：薛建阳二O一三年十月二十八日文物建筑的结构与构造2台阶与基础地基基础结构及演变过程1)大约在公元前5000年至公元前的仰韶文化时期，木柱埋于土中，以保证房屋稳定。房屋高度与规模增大，埋深也增大。这样柱根能抵抗较大的水平风力和倾覆力矩。2)随着整个建筑结构体系及榫卯连接的改进与完善，基础由深埋转变为浅埋直到明础。原因是木材遇潮之后将会腐朽，大大降低房屋的耐久性。3)汉代以后，木结构建筑逐渐演变为台基上升，主基置于地面以上，成为明础。4)宋《营造法式》把这种台基、明础的做法规范化，给出一定的做法与规范。2台阶与基础宋代以前的基础2台阶与基础由上页图可以看到，唐宋时期台基、磉墩、础石，一套基础体系已基本完整。宋、清将其成文规范下来，沿用至近代，只局部改进，并无根本变化。主要文献有：宋代的《营造法式》和清代的《工程做法则例》。2台阶与基础古建筑地基处理方法1）天然地基---将基础甚至建筑物本身直接构筑于原有土（岩）层之上。2）人工地基---换土加入碎砖、石渣、石灰等掺合料挤密桩、端承桩、摩擦桩2台阶与基础古建筑地基基础种类（5种）1）天然地基。一般适用于山区岩层地质。例如山西五台山佛光寺。2）夯土地基。第一类为土质较好时，可去掉表层土，仍用原土素土分层夯实后砌筑基础。第二类为遇到土层较弱或人为削弱地基时，可挖深，换土，分层夯实至要求的标高。3）灰土地基。在黄土中加白灰，拌合均匀，湿度恰当，分层夯实成灰土地基，其承载力比天然地基土有明显的提高。近代明清建筑中有泼糯米汁的做法。即在两步灰土间泼洒糯米汁，为增加两层的结合力。例如北京故宫基础。2台阶与基础古建筑地基基础种类4）其他掺合料加强的复合地基。第一类做法是在夯土中加入石块、瓦片等以提高地基的抗压强度。早在战国时代就已经使用。第二类做法是碎砖瓦、夯土层分层铺筑。例如河北正定寺转轮藏一层碎砖，一层夯土，隔层筑打而成。北京故宫内也普遍采用这种做法。5）桩基础与筏式基础。1）地下强度较高的砂层，岩层较浅时可用端承桩。2）如果坚实砂、岩层过深，用摩擦桩。依靠桩与土之间的摩擦力传递上部荷载。2台阶与基础台基与柱础台基即相当于现代房屋的基础。它将上部传来的荷载传递至地基的持力层。左图为宋代以后比较规范化的台基2台阶与基础台基的发展和作用汉代以后台基上升，高出地坪。而且台基的高低逐渐成为建筑物主人身份、地位高低的标志。主人地位越高贵，台基越高。作用一：台基高出地坪，可以防止雨水浸入建筑，保持柱根干燥。作用二：台基高出地坪，平面尺寸大于建筑物本身的长和宽，可以保持建筑物的稳固2台阶与基础台基的分类1）独立台基。一般建筑物都有各自的台基，立于庭院的地面上。2）建筑在台上的台基。这种台基是建筑群中非常重要的建在高台上的建筑所特有的。高台之上还建有台基。例如北京故宫的太和殿、中和殿、保和殿。3）台与台基组合成一体成为建筑的台基。特点是一座台和一个很矮的台基组合在一起。2台阶与基础台基的高宽比很小。台帮是由石材等高强度材料围砌，四角布置石质角柱。沿台基的四周和表面布置阶条石、角石以及方砖，下部布置土衬石。台基的构造作用：既保证了台基的整体稳定性和耐久性，又保证了上部结构不至于发生不均匀沉降。2台阶与基础台基的长度和宽度与房屋的长宽与屋檐尺寸有关。首先应防止屋檐的水滴在台基上进而溅到木柱与墙体上。《营造法式》中有明确规定，若房屋纵向（东西）长度较大时应增加台基的高度。同时规定了台基不能过高。台基的长度和宽度作用：可增加台基的刚度，减少地震作用下台基本身的变形，同时防止了上部结构过大的变形。台基如果过高，台基对地震的放大作用明显，对建筑物上部结构不利。2台阶与基础台基的每柱之下均有砖砌磉墩，磉墩之间有砖石砌筑的拦土，磉墩与拦土之下有灰土垫层。磉墩、拦土与灰土垫层作用：”拦土“可以限制磉墩的侧移，和磉墩一起构成十字交叉基础。1）传递与分布上部荷载。2）同时抵抗水平风力，地震作用引起的侧移变形与内力。3）使整个台基成为整体性很好的统一体，具有较大的可靠性。2台阶与基础础石为柱下基础，设于台基中磉墩之上。础石一般顶面加工成光滑平面，也称为“古镜”或称“鼓镜”。础石作用：减小了柱根和基石之间的摩擦系数，使得在遇到较大的地震与大风的情况下，能起隔振作用。2台阶与基础中式木构中有将柱制成管脚榫或套顶榫，分别插入柱础的“海眼”和“诱眼”柱础的“海眼”和“诱眼”管脚榫作用：榫头很小主要起定位作用。套顶榫作用：榫插入透眼较深，榫截面较大，能承受一定的弯矩与水平推力。套顶榫缺点：柱根及柱顶弯矩较大，成为整个构架中的薄弱环节2台阶与基础柱浮搁于础石之上是我们祖先几千年前就发明的最早的隔振装置。柱浮搁与础石之上的摩擦隔振作用原理：支座能承受一定的水平推力，最大水平反力=柱底与础石之间摩擦力的总和。这就能保证地震作用及一般大风情况下，柱础起到不动铰支座的作用，保证木构架的稳定。在遇到较大地震或较大风灾时，柱础隔振起到应有的作用，构架将发生些许平移，而不是将更大的水平力传递至上部结构，保证了上部结构的安全、稳定而不致建筑倾覆。2台阶与基础础石顶面越光滑，摩擦系数就越小，当发生中震时，隔振即起作用。课题组将础石表面的光滑度分为三级，通过30个试件测试其摩擦系数。木材与础石间摩擦系数的测定与隔振试验1）得到一般平整顶面的础石与木柱间平均摩擦系数约为0.5。结果表明，地震烈度达9度时，柱础隔振起作用，上部结构不可能再产生更大的水平地震惯性力，可以保“大震不倒”。2）得到不同程度磨光的础石面上测得的平均摩擦系数为0.3-0.35。按照现代抗震计算理论及振动台试验实测得出的结果，发现一般在8度地震烈度时，柱础隔振起着明显的作用，保证上部结构不致收到过大的损伤，更不易倒塌。2台阶与基础1）古镜柱础。古镜柱础底为方形上部收成圆形，即由方中取圆。古镜中心留有柱窝。也有做成套顶榫，将柱子由础中心穿下去，以稳固柱脚。柱础的做法(四种形式）2）铺底莲花柱础。础底为方形，地面上部周围雕成莲花。3）复盆式柱础。础底为方形，上部似倒扣的盆。4）素平柱础。多用于砌筑于墙体内的柱子下面，是一不加雕饰的方整石块。2台阶与基础各代典型的柱础及其演变各历史时期柱础的演变2台阶与基础各代柱础实例2台阶与基础础石尺寸柱础尺寸的确定是以木柱的柱径为依据的。《营造法式》卷二有“造柱础之制，其方倍柱之径（指柱径二尺，即础石四尺之类），方一尺四寸以下者，每方一尺厚八寸，方三尺以上者，厚减方之半，方四寸以上者以厚三寸为率。”清《工程做法则例》也有类似规定。可见宋《营造法式》与清《工程做法则例》都有明确的规定。规范中的做法保证了础石有效传递竖向力，并在遭遇大震时保证柱在础石上有些许平移的余地。础石厚度保证了础石的抗冲切安全。础石弯拉应力很小，使其充分发挥石材的优点，避其所短。2台阶与基础中国古代木构建筑中典型的抗震技术，比如典型的榫卯连接、斗拱构造、石础鼓镜、夯土台基等在很多方面与现代的隔振、消能、控振技术暗合。地基基础力学性能及隔振机理最初由在美国的英国医生J.A.Calantarients于1909年提出的隔振结构方案，即在建筑物结构与基础之间用滑石层隔开。这一方案与我国古建筑柱脚与础石分离搁置构造有异曲同工之效。1988年武田寿一曾指出现为“北京故宫博物院”的紫禁城，地下5~6m处的一层“煮过的糯米和石灰的混合物”有着显著的隔振效果。2台阶与基础按照宋《营造法式》及清《工程做法则例》中关于糯米汁拌3:7灰土基础做法的规定制备基础。夯筑一块1000mm×1000mm的基础。然后从中取样进行试验研究。测定试件在3d和28d的物理力学性能指标。复合地基的物理力学性能试验试验结果：1）糯米层拌灰土地基的压缩性很小，随着压力增加，土的孔隙比基本不会发生变化。随着时间的变化，土样的孔隙比变化也不大。2）糯米汁拌灰土的黏聚力及内摩擦角均随龄期而提高。3）可以忽略糯米层拌灰土地基的沉降量，可将其视为不可压缩土层，只需考虑下层天然地基的沉降量。2台阶与基础古建筑基础承载力核算算例---双槽殿堂建筑2台阶与基础古建筑基础承载力核算算例---双槽殿堂建筑2台阶与基础古建筑基础承载力核算算例---应县木塔实例核算