《传统木结构抗震性能与分析》介绍作者近年来在传统木结构主要节点抗震性能与整体结构耗能减震机理等方面的研究成果。《传统木结构抗震性能与分析》共10章，主要内容包括传统木结构的结构特点与震害特征、直榫节点抗震性能、燕尾榫节点抗震性能、榫卯节点力学模型、殿堂式斗栱节点力学性能、叉柱造式斗栱节点抗震性能、榫卯连接木构架抗震性能、带填充墙木构架的抗震性能、传统木结构振动台试验和传统木结构有限元动力分析模型。

第1章 传统木结构的结构特点与震害特征
　　1.1 传统木结构建筑分类
　　建筑是人类基本实践活动的产物之一，是人类文化的重要组成部分。我国古代劳动人民因地制宜、因材致用，创造了各种风格的建筑。由于黄河中游一带土地肥沃，易于耕种，在新石器时代后期，人们在这里定居下来，发展农业，成为中国古代文化的摇篮。当时这一区域的气候比现在温暖、湿润，树木种类丰富，木材逐渐成为中国建筑的主要材料。经历了漫长的历史阶段，以木结构为主体的建筑体系形成了不同类型的传统木结构建筑。
　　我国传统木结构建筑的核心在于承担竖向荷载和水平荷载的木构架。木构架限定了结构的空间形式、尺度大小及建筑形态等，是我国古建筑*本质的本体部分。根据木构架形式不同，我国传统木结构建筑大致可以分为三类：抬梁式建筑、穿斗式建筑及井干式建筑。
　　1. 抬梁式建筑
　　抬梁式建筑木构架是在建筑的台基上立柱，在房屋前后檐相对的柱间架设横向大梁，大梁上又重叠几道依次缩短的小梁，梁下立矮柱(瓜柱或驼峰)，把小梁顶至所需高度，构成一榀木构架。在相邻两榀木构架之间，用位于立柱上方的枋和各层梁头及脊瓜柱上横向的檩条相联系[1]。檩条上又架纵向的椽，上面再铺望板、苫背和瓦，从而形成房屋。整个屋顶的重量就是通过这些椽、檩条、梁和枋，经立柱传到地面。抬梁式木结构建筑的主要结构如图1.1所示。
　　抬梁式木结构是中国传统木结构中*为普遍的结构形式之一，其结构复杂、加工要求细致、结实牢固、经久耐用，内部有较大的使用空间，同时还具有宏伟的气势，又可呈现美观的造型。因此，宫殿(图1.2)、坛庙(图1.3)、寺院(图1.4)等大型建筑物常采用这种木结构。
　　图1.1 抬梁式木结构建筑的主要结构示意图
　　图1.2 北京故宫
　　图1.3 北京天坛
　　图1.4 山西南禅寺大殿
　　2. 穿斗式建筑
　　穿斗式建筑木构架是在房屋的进深方向立柱，直通向上，柱上不用梁，将檩条直接放在柱头上，柱与柱之间用穿枋横穿柱而贯通相连，形成一组组的构架，穿斗式建筑如图1.5所示，穿枋出檐变为挑枋[2]。在各排构架之间除有檩条外还有纤子和斗枋作横向联系。这种结构屋顶的重量通过椽、檩条直接传到柱而达地面，每一檩条下都有一柱，因此柱数多，柱距小。穿斗式建筑主要特点是具有较小的柱与穿枋，木构架侧向刚度较大。
　　图1.5 穿斗式建筑示意图
　　穿斗式木结构可以用较小的材料建造较大的房屋，而且其网状构造很牢固，但是柱、枋较多，室内不能形成连通大空间，因此多用于民居。穿斗式建筑民居如图1.6所示。
　　3. 井干式建筑
　　井干式建筑木构架是一种不用立柱和大梁的房屋结构，以圆形、矩形或六角形木料平行向上层层叠垒，木料端部在转角处交叉咬合，形成壁架，形如古代井上的木围栏，再于两端壁架上立短柱承脊檩构成房屋[1]。井干式木结构民居如图1.7所示。这种结构较为简单，容易建造，但是耗费木材，仅在广西、云南及东北等森林覆盖率较高地区有所应用。
　　图1.6 穿斗式建筑民居
　　图1.7 井干式木结构民居
　　1.2 传统木结构的结构特点
　　传统木结构按照其结构功能大致可以分为殿堂、厅堂、余屋、亭榭等，其中殿堂式结构不仅级别、形制*高，结构也*为复杂[3]。我国现存传统木结构建筑以殿堂式结构为主，殿堂式结构*能体现传统木结构的特色，其主体竖向从下而上依次可划分为台基层、柱架层、铺作层(斗栱层)和屋盖层四个部分。殿堂式传统木结构竖向分层如图1.8所示。
　　图1.8 殿堂式传统木结构竖向分层示意图
　　1. 台基层
　　台基层相当于现代房屋的基础，是将上部传来的荷载均布传递至地基的持力层，一般会高出地坪，这样做有以下几方面的原因：①从结构角度保证人工地基有足够厚度，形成一个均匀性、承载力较好的厚土层，减小原始地基缺陷的影响；②避免地面雨水侵入室内，从而保证建筑室内有一个较为干燥的环境，既满足人们的居住和使用，也保护了台基上的木构架，使其不会因水的侵蚀而腐烂；③使古建筑外观更加威严、高大雄伟，有无台基层、台基层高矮也是房屋主人身份地位的象征；④台基还具有积极的美学意义，可以避免古建筑木结构因大屋顶在视觉上产生头重脚轻的失衡感。
　　台基座于地基之上，上承柱架。在台基之内，按柱的位置用砖石砌磉墩，磉墩上放石柱础，石柱础上立柱。各磉墩之间砌成与其同高的栏土墙作条形基础，栏土墙将台基内分为若干方格，提高了柱基的水平抗力；填土中掺入碎砖瓦、石灰、烧土碎块等，分层夯实；四周用阶条石、片石或砖层砌成台帮，可为台基提供良好的侧限约束，保证了台基的整体性[4]。台基层构造如图1.9所示。
　　图1.9 台基层构造
　　台基层构造如图1.10所示。木结构古建筑的木柱通常浮搁于石柱础(又称“古镜”)上[图1.10(a)]，即木柱与石柱础没有固定成一个整体，柱底可自由滑动、转动。木柱浮搁于石柱础上是我国古建筑木结构区别于其他结构的显著特点，*早实现了滑移隔震，是典型的摩擦隔震。这种浮搁措施使得柱底不承担弯矩，柱底*大水平剪力不超过两者间的*大摩擦力。较小地震或一般大风的情况下，石柱础起到固定铰支座的作用，保证了木构架的稳定；当经历较大地震或者较大的风时，隔振作用得到充分发挥，构架将发生些许平移，不会将更大的水平力传递至上部结构，保证了建筑上部结构的安全、稳定，而不致建筑倾覆，保障古建筑木结构良好的抗震性能。
　　有些情况下，也可将柱底制成管脚榫[图1.10(b)]或套顶榫[图1.10(c)]，置于石柱础中的海眼或透眼中，但也没有固定成一个整体[5]。榫头会限制柱底滑移，但由于木材受挤压变形，仍能发生一定的水平变形和转动。
　　图1.10 台基层构造
　　2. 柱架层
　　柱顶设阑额、顺栿串(又称“搭头木”)等纵横联系梁，通过榫卯连接构成稳固的柱架体系，支承上部荷重，形成使用空间。柱架内外木柱高度基本相同，角柱生起使各檐柱的高度略有参差，三开间木构架角柱生起尺寸如图1.11所示[6]。各檐柱之间仅靠一圈阑额和地栿联系，檐柱与内柱之间则靠少数内额联系。
　　图1.11 三开间木构架角柱生起尺寸
　　1寸=3.333cm
　　木构架间采用榫卯连接，无须一铁一钉，是我国古建筑木结构的主要特点之一。卯是指在木构件上挖出的洞眼，榫则是在木构件上预留的准备插入卯的端头，这种连接方式使得各节点刚柔相济，具有一定的抗转动能力及良好的耗能能力[7]。
　　榫卯节点的抗转动能力是通过榫和卯之间的挤压变形实现的。荷载不大时，挤压变形在弹性范围内，卸载之后可以恢复，不会降低榫卯节点的抗弯能力；否则挤压变形将使榫头高度变小，卯口高度变大，从而降低榫卯节点的抗转动能力，甚至出现局部拔榫、节点松脱现象。抗转动能力降低直接导致木构架在水平荷载作用下整体结构稳定性降低且侧移加大，加剧古建筑的破坏。
　　中国古建筑木结构中采用的榫卯形式历经几千年发展和更新，有数十种甚至上百种。这些种类和形状的形成，不仅与榫卯的功能有直接关系，而且与其使用位置、连接方式、安装组合形式等有直接关系。根据榫卯的功能和连接方式不同，木构架之间主要采用直榫、燕尾榫和搭扣榫。
　　1) 直榫
　　直榫的榫头是直的长方形，可以直接插到柱内。直榫结构如图1.12所示，直榫根据榫头尺寸差别，又可分为单向直榫[图1.12(a)]、透榫[图1.12(b)]和半透榫[图1.12(c)]。榫有长短之分，长榫要伸出柱外，也称透榫。透榫多用于大型木构架，又称大进小出榫，大进是直榫的穿入部分，高按梁或枋本身高度设计，穿出部分则按穿入部分减半，可以减小榫对柱身强度的削弱。当榫头较短不穿透柱时，称半透榫。直榫抗拉性能较差，仅依靠榫头与卯口表面之间的摩擦力来抵抗拉力，易出现拔榫现象导致木结构松散。
　　2) 燕尾榫
　　燕尾榫又称大头榫、银锭榫，其结构如图1.13所示。榫头的形状是端部宽，根部窄、上部大、下部小，呈大头状。燕尾榫用于水平构件与垂直构件的连接，如檐枋、额枋、随梁枋、金枋、脊枋等水平构件与柱头相交的部位。燕尾榫可以

目录
前言
第1章 传统木结构的结构特点与震害特征 1
1.1 传统木结构建筑分类 1
1.2 传统木结构的结构特点 4
1.3 古建筑木结构的震害特征 10
第2章 直榫节点抗震性能 14
2.1 直榫节点拟静力试验 14
2.1.1 试件设计与制作 14
2.1.2 加载方案与测量方案 16
2.1.3 试验过程及现象 17
2.1.4 试验结果及分析 19
2.1.5 直榫节点尺寸效应与分析 24
2.2 单向直榫节点弯矩-转角关系 25
2.2.1 受力机理分析 25
2.2.2 弯矩-转角关系推导 26
2.2.3 力学模型验证 30
2.3 半透榫节点弯矩-转角关系 31
2.3.1 受力机理分析 31
2.3.2 弯矩-转角关系力学模型推导 32
2.3.3 力学模型验证 37
2.4 透榫节点弯矩-转角关系 37
2.4.1 受力机理分析 38
2.4.2 弯矩-转角关系力学模型推导 38
2.4.3 力学模型验证 42
2.5 本章小结 43
第3章 燕尾榫节点抗震性能 44
3.1 燕尾榫节点拟静力试验 44
3.1.1 试件的设计与制作 45
3.1.2 加载方案与测量方案 47
3.1.3 试验过程及现象 48
3.1.4 试验结果及分析 49
3.1.5 燕尾榫节点的尺寸效应与分析 53
3.2 燕尾榫节点弯矩-转角关系 55
3.2.1 受力机理分析 55
3.2.2 弯矩-转角关系力学模型推导 55
3.2.3 力学模型验证 59
3.3 本章小结 60
第4章 榫卯节点力学模型 61
4.1 单向直榫节点弯矩-转角简化力学模型 61
4.1.1 简化力学模型的建立 61
4.1.2 简化力学模型的验证 62
4.2 半透榫节点弯矩-转角简化力学模型 63
4.2.1 简化力学模型的建立 63
4.2.2 简化力学模型的验证 65
4.3 透榫节点弯矩-转角简化力学模型 65
4.3.1 简化力学模型的建立 65
4.3.2 简化力学模型的验证 67
4.4 燕尾榫节点弯矩-转角简化力学模型 68
4.4.1 简化力学模型的建立 68
4.4.2 简化力学模型的验证 69
4.5 榫卯节点弯矩-转角滞回模型 70
4.6 本章小结 73
第5章 殿堂式斗栱节点力学性能 74
5.1 殿堂式斗栱节点竖向受力性能 74
5.1.1 分析模型的基本假定 74
5.1.2 竖向受力理论分析模型的建立 75
5.1.3 分析模型的验证 76
5.2 殿堂式斗栱节点水平力-位移关系分析及滞回模型 77
5.2.1 水平力-位移简化模型的基本假定 77
5.2.2 斗栱的水平刚度和屈服位移的推导 78
5.2.3 斗栱峰值位移的确定 81
5.2.4 水平力-位移简化模型验证 82
5.2.5 恢复力模型的建立与验证 83
5.3 本章小结 86
第6章 叉柱造式斗栱节点抗震性能 87
6.1 叉柱造式斗栱节点竖向受力性能试验 87
6.1.1 叉柱造式斗栱节点的构造特点 87
6.1.2 试验概况 88
6.1.3 试验过程与现象 90
6.1.4 试验结果及分析 92
6.2 叉柱造式斗栱节点竖向受力性能 95
6.2.1 分析模型的基本假定 95
6.2.2 分析模型的建立 96
6.2.3 竖向压缩曲线理论公式推导 96
6.2.4 理论结果与分析 100
6.3 叉柱造式斗栱节点拟静力试验 102
6.3.1 模型设计与制作 102
6.3.2 加载方案与测量方案 104
6.3.3 试验过程及现象 106
6.3.4 试验结果及分析 108
6.3.5 竖向荷载对斗栱节点抗震性能影响 112
6.4 叉柱造式斗栱节点弯矩-转角关系分析及滞回模型 114
6.4.1 分析模型的基本假定 114
6.4.2 栌斗转动弯矩的推导 115
6.4.3 连接枋转动弯矩的推导 115
6.4.4 分析模型的验证 118
6.4.5 恢复力模型的验证 118
6.5 本章小结 119
第7章 榫卯连接木构架抗震性能 121
7.1 木构架拟静力试验 121
7.1.1 试验试件的设计 121
7.1.2 加载方案与测量方案 122
7.1.3 试验过程及现象 124
7.1.4 试验结果及分析 125
7.2 木构架水平往复荷载作用下的有限元分析 131
7.2.1 木材间变接触模型的建立 131
7.2.2 有限元模型的建立 136
7.2.3 接触模型参数的设置 139
7.2.4 有限元结果分析 140
7.2.5 变接触有限元模型与普通有限元模型分析结果对比 142
7.3 木构架水平力-转角关系模型 145
7.3.1 计算模型的确定 146
7.3.2 榫卯节点和柱脚节点弯矩-转角模型的选取 146
7.3.3 带半刚性连接的梁单元刚度矩阵确定 148
7.3.4 模型的验证 149
7.3.5 柱高及竖向荷载的影响 150
7.4 本章小结 153
第8章 带填充墙木构架的抗震性能 154
8.1 木填充墙对木构架抗震性能的影响 154
8.1.1 试验试件的设计 154
8.1.2 加载方案及测量方案 157
8.1.3 试验过程及现象 159
8.1.4 试验结果及分析 161
8.2 约束木填充墙恢复力模型 172
8.2.1 受力机理分析 172
8.2.2 约束木质填充墙力-位移关系的推导 174
8.2.3 力-位移关系的验证 177
8.2.4 力学模型简化与验证 178
8.2.5 恢复力模型的验证 179
8.3 砌体填充墙木构架拟静力试验 180
8.3.1 试件设计与制作 181
8.3.2 材料力学性能试验 184
8.3.3 试验装置及加载制度 185
8.3.4 测量方案 186
8.3.5 试验结果及分析 187
8.4 构架约束砌体填充墙水平荷载-变形分析模型 202
8.4.1 受力机理分析与模型假设 202
8.4.2 屈服荷载及屈服位移的推导 203
8.4.3 峰值荷载及峰值位移的推导 205
8.4.4 极限荷载和极限位移的确定 207
8.4.5 模型验证 207
8.5 本章小结 208
第9章 传统木结构振动台试验 210
9.1 模型的设计与制作 210
9.1.1 模型尺寸及制作 210
9.1.2 材性试验及相似比 212
9.2 试验方案 214
9.2.1 地震波的选用及加载方案 214
9.2.2 测点布置 215
9.3 试验现象及破坏模式 216
9.4 无填充墙模型结构地震反应及分析 217
9.4.1 动力特性 217
9.4.2 加速度响应 220
9.4.3 位移响应 222
9.4.4 *大剪力分布规律 223
9.4.5 结构耗能规律 224
9.5 填充墙对传统木结构抗震性能的影响 227
9.5.1 动力特性 227
9.5.2 动力抗侧刚度 228
9.5.3 加速度响应 230
9.5.4 位移响应 232
9.5.5 结构的累积耗能 234
9.5.6 结构耗能规律 237
9.6 本章小结 238
第10章 传统木结构有限元动力分析模型 239
10.1 关键节点的模拟与验证 239
10.1.1 柱脚节点的模拟与验证 239
10.1.2 榫卯节点的模拟与验证 243
10.1.3 斗栱节点的模拟与验证 246
10.2 填充墙的模拟与验证 249
10.3 其他构件的简化模拟 252
10.4 传统木结构动力分析 255
10.4.1 有限元模型的建立 255
10.4.2 模型模态分析 259
10.4.3 加载求解 260
10.4.4 水平地震响应分析 262
10.5 传统木结构抗震性能参数分析 267
10.5.1 屋盖质量 268
10.5.2 外檐部分 269
10.6 本章小结 272
参考文献 273