侗族獨(dú)柱鼓樓構(gòu)造特征及模態(tài)分析

蒲爽　樊浪波　黃川騰　馬清

摘? 要：侗族鼓樓是侗民族木構(gòu)建筑營造技藝的代表，獨(dú)柱鼓樓是其典型結(jié)構(gòu)形式之一。為了探究侗族獨(dú)柱鼓樓構(gòu)造特征及動(dòng)力特性，該文以述洞鼓樓為研究對象，基于實(shí)地調(diào)研數(shù)據(jù)，分析了平面選型、建筑構(gòu)造特征和抗震構(gòu)造特征;運(yùn)用SAP2000軟件建立獨(dú)柱鼓樓三維有限元模型，完成模態(tài)分析，揭示了獨(dú)柱鼓樓動(dòng)力特性。該文所述實(shí)測數(shù)據(jù)、構(gòu)造特征、建模技術(shù)有助于從建筑結(jié)構(gòu)方面對鼓樓進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：侗族;述洞鼓樓;構(gòu)造;模態(tài)分析;SAP2000

中圖分類號(hào)：TU366.2 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

侗民族分布于我國貴州、湖南、廣西、湖北以及廣東地區(qū)，人口總數(shù)近300萬。侗族人民善于建筑，侗族木構(gòu)建筑營造技藝已經(jīng)列入第一批國家級(jí)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄，鼓樓是侗族建筑中的符號(hào)樣本，也被視為侗族木構(gòu)建筑的集大成者。

目前對于侗族鼓樓的研究主要集中在3個(gè)方面。1）文化符號(hào)[1-2]，主要探討鼓樓的社會(huì)意義和文化內(nèi)涵。2）營造技藝和建筑美學(xué)[3-4]，側(cè)重研究木作構(gòu)造和幾何美學(xué)。3）數(shù)理邏輯[5-6]，傾向分析鼓樓構(gòu)造中呈現(xiàn)的數(shù)學(xué)概念及數(shù)學(xué)思想。但是針對侗族鼓樓在建筑結(jié)構(gòu)尤其是工程力學(xué)方面的研究較少。獨(dú)柱鼓樓是最具代表性的侗族鼓樓形式之一，該文以述洞鼓樓為研究對象，分析獨(dú)柱鼓樓平面選型和構(gòu)造做法;通過SAP2000軟件建立三維有限元模型，探討了榫卯節(jié)點(diǎn)建模方法，完成了模態(tài)分析工作。

1 述洞鼓樓構(gòu)造特征

1.1 建筑構(gòu)造特征

鼓樓底部為多邊形，多為四邊形和八邊形，樓頂是多角形狀，鼓樓層數(shù)通常為奇數(shù)?，F(xiàn)有鼓樓分類方法中，較具有代表性的是蔡凌[7]根據(jù)大木作結(jié)構(gòu)體系和屋面構(gòu)造做法的角度，對侗族鼓樓的結(jié)構(gòu)技術(shù)類型進(jìn)行了分類研究，將鼓樓分為抬梁穿斗混合式與穿斗式兩大類，如圖1所示。穿斗式鼓樓是純粹穿斗式的木構(gòu)架結(jié)構(gòu)，所有的檁都由柱承托重量，柱與柱之間用穿枋連接，頂部屋架則由檁條、枋和斗枋聯(lián)系成一整體。這種類型的鼓樓又可根據(jù)其屋面的結(jié)構(gòu)體系和受力特點(diǎn)分為“中心柱型”和“非中心柱型”?！爸行闹汀惫臉瞧矫鏋檎噙呅?，依據(jù)其中心柱貫穿情況又分為獨(dú)柱鼓樓圖2（a）～圖2（c）及“回”型鼓樓圖2（d）～圖2（f）。其中獨(dú)柱鼓樓在其結(jié)構(gòu)中心有貫穿的中心柱，回型鼓樓下部中心無柱僅在結(jié)構(gòu)中上部位有雷公柱（源于漢族建筑，是處于攢尖建筑頂部的懸空柱，是古代建筑主要的避雷裝置）。

獨(dú)柱鼓樓以述洞鼓樓建造最早，也最為典型。述洞鼓樓建于明崇禎九年（1636年），是貴州省黎平縣內(nèi)僅有的一座完整保留的獨(dú)柱鼓樓。如圖3所示，四檐閣鼓樓共5層，高約15.8 m，除首層有撐柱供伸展和裝修外，整座鼓樓以中心金柱貫通上下，作為主要承重構(gòu)件。從外觀看，述洞鼓樓由下往上逐層向內(nèi)縮小，構(gòu)成上下檐層疊形狀;從樓內(nèi)觀看，以中柱為正中心，直徑不同的出水枋和角挑枋縱橫交織于中柱，連成整體，第一層枋作第二層瓜柱的支撐，按照這樣的構(gòu)造形式反復(fù)至第六層。整座鼓樓構(gòu)件之間均以榫卯連接。表1為述洞鼓樓核心構(gòu)件實(shí)測尺寸。

1.2 抗震構(gòu)造特征

1.2.1 柱與柱礎(chǔ)石的連接

根據(jù)實(shí)地考察，如圖4所示，侗族鼓樓柱與柱礎(chǔ)石的連接方式均為平擺浮擱，上部主體木結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)并非理想剛接，柱礎(chǔ)石提供水平方向的摩擦力和豎向支撐，柱根不傳遞彎矩。這樣的連接方式既可以發(fā)生有條件下的適量滑動(dòng)位移，又可以發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。在水平地震作用下，柱端與柱礎(chǔ)石的相對位移既能滑動(dòng)耗能又能減小結(jié)構(gòu)整體剛度、增加結(jié)構(gòu)周期從而減小地震作用，起到了隔震效果。

1.2.2 木構(gòu)架及榫卯連接

侗族鼓樓采用木構(gòu)架承重，獨(dú)柱鼓樓木構(gòu)架主要由中心柱和檐柱承重。如圖3所示，所有的梁柱構(gòu)件均采用榫卯連接，榫卯節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于半剛性節(jié)點(diǎn)，其變形介于理想剛接點(diǎn)與理想鉸節(jié)點(diǎn)之間。地震作用下半剛性連接方式能夠通過匯交于節(jié)點(diǎn)的桿件之間的滑動(dòng)、摩擦、擠壓來耗能，又能通過減小結(jié)構(gòu)剛度增加周期達(dá)到減小地震作用的效果，對抗震較為有利。

1.2.3 屋架體系

屋架體系本身是指木結(jié)構(gòu)建筑的屋頂部分，在該文所指的獨(dú)柱鼓樓中相當(dāng)于鼓樓塔頂（如圖5所示），塔頂與主體木結(jié)構(gòu)主要采用斗拱結(jié)構(gòu)、孔隔交錯(cuò)及榫卯連接，這樣的連接方式起到建筑物剛性協(xié)調(diào)的作用，遇有地震作用時(shí)，消耗地震能量，使地震在樓身的作用大為降低，起到抗震效果。

2 獨(dú)柱鼓樓有限元模型

選用云杉建模，根據(jù)《木材學(xué)》常用木材性質(zhì)，fu順=40.8MPa，ft順=96.2MPa，密度為0.005 g/mm3，泊松比取為0.2。參考文獻(xiàn)[8]的做法，榫卯半剛性采用線對象端部釋放實(shí)現(xiàn);采用自定義法定義塑性鉸，梁鉸為P-M3型，柱鉸為P-M2-M3型。針對柱與柱礎(chǔ)石的實(shí)際連接情況，該文分別建立了柱腳剛接和鉸接模型，如圖6所示。獨(dú)柱鼓樓模態(tài)分析結(jié)果見表2（僅展示前三階振型結(jié)果）。

3 結(jié)語

鼓樓兼具民族文化價(jià)值、大木作營造價(jià)值及美學(xué)價(jià)值，該文針對獨(dú)柱鼓樓，以述洞鼓樓為對象進(jìn)行了建筑構(gòu)造、抗震構(gòu)造和模態(tài)分析方面的初步探討。結(jié)構(gòu)分析的前提是對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的精確測量，榫卯連接的模擬方法也直接影響了模擬精度，但是由于鼓樓類型繁多、細(xì)部做法復(fù)雜，且具有不規(guī)則地的表面，對鼓樓結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化建模還有待與廣大科研人員一起做進(jìn)一步深入研究。

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