传统民居抬梁式木构架抗侧力性能试验研究
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长期以来,在大式木作古建筑木构架[1] 抗震性 能的研究方面,取得了大量的理论和试验成果. 姚 侃等[2] 、隋等[3] 对透榫与燕尾榫连接的殿堂式木 构架进行了缩尺模型(1颐 3郾 52) 拟静力试验,研究其 木构架工作机制. 高大峰等[4] 以西安城永宁门箭楼 为原型,研究带雀替半榫连接的木构架工作机制及 带雀替的半榫节点的特点. 淳庆等[5] 对南方地区官 式木构建筑典型榫卯( 燕尾榫、半榫、十字箍头榫、 馒头榫等) 连接的木构架开展了缩尺模型低周往复
Abstract: To understand the seismic performance of post鄄and鄄lintel timber frame of traditional residences in north China蒺s villages, three full鄄scale specimens based on the prototype were fabricated and tested subjected to pseudo鄄static cyclic lateral loading. The seismic performances of the timber frames ( including the mechanical characteristics, the hysteretic and skeleton curves, the strength and stiffness
摇 摇 传统村落民居是依据地域特色,请本地普通工 匠按照传承技术自行建造,在社会发展中留存下来 的建筑. 区别于南方穿斗式木构民居,北方传统村 落木构民居主要为“四梁八柱冶 结构,采用五檩硬山 木构架,柱上托五架梁,梁头托两檩,金瓜柱托三架 梁,梁头再托两檩,脊瓜柱托脊檩,梁柱采用馒头榫 节点连接. 该类做法类似殿堂木构建筑的抬梁式作 法,但没有铺作层、抱头梁、穿插枋,木材用料小且普 通,其建筑尺度小,开间数少进深也小, 建筑形式单 一,远远不及大式建筑工艺精湛、做工考究、规模宏 大与群体组合方式多样. 但该类房子作为传统文化 与文明的重要载体,地处经济相对落后的原始村落, 缺乏抗震措施与抗震验算,也缺乏政府的监管,存在 安全隐患,急需对其抗震安全性进行科学评估,为其 修缮加固提供科学依据.
收稿日期: 2020鄄03鄄08 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(52008011) ,北京市教育委员会资助项目( KM201910005019) ,博士后科学基金资助项
目(2019M660501) 作者简介: 沈银澜(1985—), 女, 高级工程师, 主要从事现代及古建木结构方面的研究, E鄄mail: shenyinlan@ bjut. edu. cn 通信作者: 王利辉(1984—) , 男, 实验师, 主要从事工程结构抗震方面的研究, E鄄mail:wlh2016@ bjut. edu. cn
SHEN Yinlan1,2 , LIU Hui3 , ZHOU Jingxuan1,2 , CHEN Zhongwei1,2 , WANG Lihui1,2 , ZHOU Haibin4,5
(1. Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;
(1. 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室, 北京摇 100124; 2. 北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室, 北京摇 100124;
3. 北京市住房和城乡建设科学技术研究所, 北京摇 101160; 4. 木材工业国家工程研究中心, 北京摇 102300;
5. 中国林业科学研究院木材工业研究所, 北京摇 100091)
2. Beijing Key Lab of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing 100124, China; 3. Beijing Institute of Housing and Urban鄄Rural Construction Science and Technology, Beijing 101160, China;
关键词: 传统木构民居; 四梁八柱; 木构架; 抗震性能; 试验研究; P鄄驻 效应
中图分类号: TU 366郾 2
文献标志码: A
文章编号: 0254 - 0037(2021)07 - 0759 - 14
doi: 10. 11936 / bjutxb2021030007
Experimental Study on Lateral Performance of Post鄄and鄄Lintel Timber Frame in Traditional Residences
760
北摇 京摇 工摇 业摇 大摇 学摇 学摇 报
2021 年
degradation, and energy dissipation ) were studied and the effects of various pedestal and loading conditions on lateral force resisting performance of timber frames were revealed. Results show that the wooden frame is a rocking self centering system with variable stiffness. The timber frames behave the uplift of column foot and obvious deformation of joints with pulled鄄out Mantou tenons. The P鄄驻 effect of the timber frame subjected to the vertical load is obvious and it cannot beቤተ መጻሕፍቲ ባይዱignored. The wooden frame in large deformation situation cannot self center and it can restore the original position relying on external loads to great extents. The timber frame in the condition of allowance of column foot to slip behaves obviously rocking characteristics subjected to cyclic loading with lower energy dissipation, more serious pinching effect, compared to those in the condition of column foot limitation. However, the timber frame in the condition of allowance of column foot to slip can preserve Mantou mortise鄄tenon joints to some extent than that of the condition of column foot limitation. The increase of the vertical load is beneficial to improve the lateral resistance of the timber frame. The timber frame at the place of the gable wall is easier to lead into the insufficiencies of the lateral resistance capacity and energy dissipation capacity, due to low compression loads from roof weights. The research results will provide a scientific basis for the seismic evaluation, repair and reinforcement of the “ four beams and eight columns冶 wooden residences in north China蒺s villages. Key words: traditional wooden residence; four beams and eight columns; wooden frame; seismic performance; experimental study; P鄄驻 effects
第 47 卷 第 7 期 2021 年 7 月
北京工业大学学报 JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vol. 47 No. 7 Jul. 2021
传统民居抬梁式木构架抗侧力性能试验研究
沈银澜1,2 , 刘摇 辉3 , 周敬轩1,2 , 陈中伟1,2 , 王利辉1,2 , 周海宾4,5
加载试验, 发现其破坏均在榫卯节点处. 郇君虹 等[6] 以保留榫卯节点半刚性特 点为原则, 针对半 榫、透榫和燕尾榫缩尺模型(1颐 3郾 52) 设计了不同形 式的扁钢加固装置,考虑是否设置活动槽与加固件, 发现带螺钉加固装置加固效果最为明显. 孙建等[7] 对殿宇所用的抬梁式木构架以及南方民居所用的穿 斗式木构架进行了缩尺 1颐 1郾 76 单调推覆试验,发现 抬梁式木构架的水平荷载承载效率明显低于穿斗式 木构架,但未考虑 P鄄驻 二阶效应影响. 李胜才等[8] 、 Li 等[9] 试验分析了 2 种柱脚损伤对缩尺比例为 1 颐 3郾 52 的一榀直榫节点木构件抗震性能的影响,同时 研究直榫节点损伤对木构架抗震性能的影响,发现 损伤对初始抗侧刚度影响不大,随着加载位移逐渐 增大,其承载力幅值降低明显. Li 等[10] 对燕尾榫节 点连接的双跨木构架缩尺模型(1颐 4) 开展了试验与 数值分析,揭示其双跨木构架的受力特征及破坏模 式,并建议采用 Kishi鄄Chen 模型和 pivot 滞回模型进 行工程上木构架的数值模拟. 谢启芳等[11] 研究相 同缩尺比例下不同柱高和竖向荷载作用下单榀直榫 节点木构架的抗震性能,发现竖向力和柱的高度对 其抗侧力影响显著;同时研究了 3 种燕尾榫卯节点 的缩尺效应,发现拔榫量与模型比例基本呈正比关 系, 而 转 动 弯 矩 和 刚 度 均 不 符 合 模 型 的 相 似 关 系[12] . 师希望等[13] 揭示采用七等材和八等材制作 的足尺带斗拱的木构架抗侧承载力及变形、刚度规
摘摇 要: 为了解北方地区传统民居抬梁式木构架的抗震性能,制作了三榀足尺木构架模型,开展了低周往复的拟静 力抗侧试验,研究木构架的受力特征、滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度的退化、耗能规律等,揭示不同柱基础及荷 载条件对木构架抗侧力性能的影响. 研究结果表明:馒头榫连接的木构架是一种变刚度的摇摆体系,主要的表现形 式为柱脚翘起,馒头榫节点的拔榫量;木构架竖向荷载下存在明显的 P鄄驻 二阶效应,该影响不可忽略;在大变形下 由于二阶效应不能自己复位,主要借助外部荷载进行复位;允许柱脚滑移使木构架在低周往复水平荷载下表现出 更为明显的摇摆特性,相比柱脚限制的情况耗能能力减弱,捏拢效应更为严重,但在一定程度上保护馒头榫节点; 竖向荷载增大有助于提升木构架的抗侧性能;作为山墙位置的木构架竖向荷载偏小,容易导致木构架的抗侧承载 力与耗能能力不足. 研究成果将为北方传统村落“ 四梁八柱冶 木结构民居抗震性能的评估、修缮与加固提供科学 依据.
4. National Engineering Research Center for Wood Industry,Beijing 102300, China; 5. Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091, China)
Abstract: To understand the seismic performance of post鄄and鄄lintel timber frame of traditional residences in north China蒺s villages, three full鄄scale specimens based on the prototype were fabricated and tested subjected to pseudo鄄static cyclic lateral loading. The seismic performances of the timber frames ( including the mechanical characteristics, the hysteretic and skeleton curves, the strength and stiffness
摇 摇 传统村落民居是依据地域特色,请本地普通工 匠按照传承技术自行建造,在社会发展中留存下来 的建筑. 区别于南方穿斗式木构民居,北方传统村 落木构民居主要为“四梁八柱冶 结构,采用五檩硬山 木构架,柱上托五架梁,梁头托两檩,金瓜柱托三架 梁,梁头再托两檩,脊瓜柱托脊檩,梁柱采用馒头榫 节点连接. 该类做法类似殿堂木构建筑的抬梁式作 法,但没有铺作层、抱头梁、穿插枋,木材用料小且普 通,其建筑尺度小,开间数少进深也小, 建筑形式单 一,远远不及大式建筑工艺精湛、做工考究、规模宏 大与群体组合方式多样. 但该类房子作为传统文化 与文明的重要载体,地处经济相对落后的原始村落, 缺乏抗震措施与抗震验算,也缺乏政府的监管,存在 安全隐患,急需对其抗震安全性进行科学评估,为其 修缮加固提供科学依据.
收稿日期: 2020鄄03鄄08 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(52008011) ,北京市教育委员会资助项目( KM201910005019) ,博士后科学基金资助项
目(2019M660501) 作者简介: 沈银澜(1985—), 女, 高级工程师, 主要从事现代及古建木结构方面的研究, E鄄mail: shenyinlan@ bjut. edu. cn 通信作者: 王利辉(1984—) , 男, 实验师, 主要从事工程结构抗震方面的研究, E鄄mail:wlh2016@ bjut. edu. cn
SHEN Yinlan1,2 , LIU Hui3 , ZHOU Jingxuan1,2 , CHEN Zhongwei1,2 , WANG Lihui1,2 , ZHOU Haibin4,5
(1. Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;
(1. 北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室, 北京摇 100124; 2. 北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室, 北京摇 100124;
3. 北京市住房和城乡建设科学技术研究所, 北京摇 101160; 4. 木材工业国家工程研究中心, 北京摇 102300;
5. 中国林业科学研究院木材工业研究所, 北京摇 100091)
2. Beijing Key Lab of Earthquake Engineering and Structural Retrofit, Beijing 100124, China; 3. Beijing Institute of Housing and Urban鄄Rural Construction Science and Technology, Beijing 101160, China;
关键词: 传统木构民居; 四梁八柱; 木构架; 抗震性能; 试验研究; P鄄驻 效应
中图分类号: TU 366郾 2
文献标志码: A
文章编号: 0254 - 0037(2021)07 - 0759 - 14
doi: 10. 11936 / bjutxb2021030007
Experimental Study on Lateral Performance of Post鄄and鄄Lintel Timber Frame in Traditional Residences
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北摇 京摇 工摇 业摇 大摇 学摇 学摇 报
2021 年
degradation, and energy dissipation ) were studied and the effects of various pedestal and loading conditions on lateral force resisting performance of timber frames were revealed. Results show that the wooden frame is a rocking self centering system with variable stiffness. The timber frames behave the uplift of column foot and obvious deformation of joints with pulled鄄out Mantou tenons. The P鄄驻 effect of the timber frame subjected to the vertical load is obvious and it cannot beቤተ መጻሕፍቲ ባይዱignored. The wooden frame in large deformation situation cannot self center and it can restore the original position relying on external loads to great extents. The timber frame in the condition of allowance of column foot to slip behaves obviously rocking characteristics subjected to cyclic loading with lower energy dissipation, more serious pinching effect, compared to those in the condition of column foot limitation. However, the timber frame in the condition of allowance of column foot to slip can preserve Mantou mortise鄄tenon joints to some extent than that of the condition of column foot limitation. The increase of the vertical load is beneficial to improve the lateral resistance of the timber frame. The timber frame at the place of the gable wall is easier to lead into the insufficiencies of the lateral resistance capacity and energy dissipation capacity, due to low compression loads from roof weights. The research results will provide a scientific basis for the seismic evaluation, repair and reinforcement of the “ four beams and eight columns冶 wooden residences in north China蒺s villages. Key words: traditional wooden residence; four beams and eight columns; wooden frame; seismic performance; experimental study; P鄄驻 effects
第 47 卷 第 7 期 2021 年 7 月
北京工业大学学报 JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Vol. 47 No. 7 Jul. 2021
传统民居抬梁式木构架抗侧力性能试验研究
沈银澜1,2 , 刘摇 辉3 , 周敬轩1,2 , 陈中伟1,2 , 王利辉1,2 , 周海宾4,5
加载试验, 发现其破坏均在榫卯节点处. 郇君虹 等[6] 以保留榫卯节点半刚性特 点为原则, 针对半 榫、透榫和燕尾榫缩尺模型(1颐 3郾 52) 设计了不同形 式的扁钢加固装置,考虑是否设置活动槽与加固件, 发现带螺钉加固装置加固效果最为明显. 孙建等[7] 对殿宇所用的抬梁式木构架以及南方民居所用的穿 斗式木构架进行了缩尺 1颐 1郾 76 单调推覆试验,发现 抬梁式木构架的水平荷载承载效率明显低于穿斗式 木构架,但未考虑 P鄄驻 二阶效应影响. 李胜才等[8] 、 Li 等[9] 试验分析了 2 种柱脚损伤对缩尺比例为 1 颐 3郾 52 的一榀直榫节点木构件抗震性能的影响,同时 研究直榫节点损伤对木构架抗震性能的影响,发现 损伤对初始抗侧刚度影响不大,随着加载位移逐渐 增大,其承载力幅值降低明显. Li 等[10] 对燕尾榫节 点连接的双跨木构架缩尺模型(1颐 4) 开展了试验与 数值分析,揭示其双跨木构架的受力特征及破坏模 式,并建议采用 Kishi鄄Chen 模型和 pivot 滞回模型进 行工程上木构架的数值模拟. 谢启芳等[11] 研究相 同缩尺比例下不同柱高和竖向荷载作用下单榀直榫 节点木构架的抗震性能,发现竖向力和柱的高度对 其抗侧力影响显著;同时研究了 3 种燕尾榫卯节点 的缩尺效应,发现拔榫量与模型比例基本呈正比关 系, 而 转 动 弯 矩 和 刚 度 均 不 符 合 模 型 的 相 似 关 系[12] . 师希望等[13] 揭示采用七等材和八等材制作 的足尺带斗拱的木构架抗侧承载力及变形、刚度规
摘摇 要: 为了解北方地区传统民居抬梁式木构架的抗震性能,制作了三榀足尺木构架模型,开展了低周往复的拟静 力抗侧试验,研究木构架的受力特征、滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度的退化、耗能规律等,揭示不同柱基础及荷 载条件对木构架抗侧力性能的影响. 研究结果表明:馒头榫连接的木构架是一种变刚度的摇摆体系,主要的表现形 式为柱脚翘起,馒头榫节点的拔榫量;木构架竖向荷载下存在明显的 P鄄驻 二阶效应,该影响不可忽略;在大变形下 由于二阶效应不能自己复位,主要借助外部荷载进行复位;允许柱脚滑移使木构架在低周往复水平荷载下表现出 更为明显的摇摆特性,相比柱脚限制的情况耗能能力减弱,捏拢效应更为严重,但在一定程度上保护馒头榫节点; 竖向荷载增大有助于提升木构架的抗侧性能;作为山墙位置的木构架竖向荷载偏小,容易导致木构架的抗侧承载 力与耗能能力不足. 研究成果将为北方传统村落“ 四梁八柱冶 木结构民居抗震性能的评估、修缮与加固提供科学 依据.
4. National Engineering Research Center for Wood Industry,Beijing 102300, China; 5. Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091, China)