应县木塔部分横纹抗压木构件残损分析.pdf

China Forest Products Industry林产工业，2023，60（08）：33-37应县木塔部分横纹抗压木构件残损分析张凤毫 王斯栋 江京辉*周海宾（中国林业科学研究院木材工业研究所，北京 100091）摘 要：对应县木塔二层明层和五层明层内槽转角柱的普拍枋、华拱和泥道拱等横纹抗压构件进行勘测，测量其尺寸与含水率，使用相机拍照记录其破坏特征，后期利用ImageJ软件分析其裂隙率及破坏状况，探讨两明层横纹抗压构件的开裂程度与分布。结果表明：二层明层内槽转角柱上的普拍枋横纹抗压开裂严重，其裂隙率均值为16.6%，多数端面呈散裂状，甚至枋体有完全压溃和部分脱落的现象，华拱和泥道拱横纹抗压裂隙率均值分别为7.7%和12.0%，且拱身已有部分剥离和折断现象；五层明层各内槽转角柱上的普拍枋、华拱和泥道拱横纹抗压破坏主要为细微开裂，其裂隙率均值分别为2.9%、2.6%和2.1%，较二层明层而言，开裂较为轻微；对于木塔两层横纹抗压构件的开裂分布，二层明层多出现在塔身西南和东北方位，而五层明层横纹抗压构件在开裂方位上不明显。本研究所采用的方法可以有效获取应县木塔内部构件的横纹抗压破坏状况及开裂分布，为今后木塔修复与保护工作提供一定的基础数据。关键词：应县木塔；横纹抗压；木构件；开裂；裂隙率中图分类号：TS6;TU746.3 文献标识码：A 文章编号：1001-5299（2023）08-0033-05DOI:10.19531/j.issn1001-5299.202308006Damage Analysis of Internal Wood Components of Yingxian Wood Pagoda Under Transverse CompressionZHANG Feng-hao WANG Si-dong JIANG Jing-hui ZHOU Hai-bin(Research Institute of Wood Industry,Chinese Academy of Forestry,Beijing 100091,P.R.China)Abstract:Based on the field survey of the second floor and the fifth floor of Yingxian Wood Pagoda,a comparative analysis of the damage conditions of the transverse compression members-Pupaifang,flower arm,and axial bracket arm on each hypostyle corner column was made in this paper,and the crack rate was measured using ImageJ to study cracking degree and distribution law of the transverse compression members of each layer.The results showed that the transverse compression cracking of Pupaifang of the second floor was serious,with the average crack rate of 16.6%.Most of the end faces were in the form of spallation,and even the brace body had the phenomenon of complete collapse and partial fall off.The average compression crack rate of the transverse compression of flower arm and axial bracket arm were 7.7%and 12.0%,respectively,and the arch body had the phenomenon of partial peeling and breaking.The transverse compression failure of Pupaifang,flower arm,and axial bracket arm of the fifth layer was mainly minor cracks,with the average crack rate of 2.9%,2.6%,and 2.1%respectively,and the degree of cracking was relatively moderate.For the cracking distribution of the two-storey transverse grain compression member,the second floor mostly appeared in the southwest and northeast of the tower,while the cracking distribution of the fifth floor transverse grain compression member was more uniform.The method used in this study can effectively obtain the transverse compressive damage status and crack distribution of the internal components of Yingxian wooden tower,providing a certain foundation for future repair and protection work of wood pagoda.Key words:Yingxian Wood Pagoda;Transverse compression;Wood components;Crack;Crack rate 我国具有悠久的建造和使用木结构建筑的历史，创造了辉煌的木结构建筑文化1，应县木塔是木结构建筑的典型代表。应县木塔又称佛宫寺 释迦塔，坐落于山西省朔州市应县西北隅，全塔高67.31 m，俯瞰呈八角形，是我国现存最古老、最高且相对完整的纯木结构塔基金项目：中国文化遗产研究院开放课题“应县木塔残损木构件修复与加固关键技术”（2022002）作者简介：张凤毫，男，研究方向为木材湿热处理E-mail:*通讯作者：江京辉，男，副研究员，研究方向为木材湿热处理E-mail:收稿日期：2023-02-21林 产 工 业34第60卷楼建筑，被誉为“世界三大奇塔”之一2-3。木塔始建于辽清宁二年（公元1056年），至今已有将近千年的历史，其内部木构件因受长期荷载作用，从而发生开裂甚至破坏现象4，期间历经6次大修才得以保存。现木塔整体向东北方向倾斜，内部结构变形和构件残损情况日益严重，因此亟需对木塔进行维修和加固5-6。针对应县木塔内部构件变形和受力情况，已有学者开展了大量研究工作。陈平等7通过对应县木塔二层明层的现场勘查，检查了该层柱头的变形状况，并尝试采用有限元ANSYS建立其柱网计算模型，提取纠偏反力并进行分析，以获取柱网纠偏前后情况。李铁英等8通过现场实测调研，分析了各层主要承重构件木柱的变位情况，得到了相应的残损分布状况，并将实测振型与木塔模型拟动力试验结果相结合，分析得到了其在不同地震波下的弹塑性变形状况。陈志勇等9-10对木塔内部结构进行了系统调查，并使用有限元软件ABAQUS建立模型进行分析，以评估木塔的受力和抗震性能以及柱肢长短对竖向荷载的影响规律。郭明等11通过采用地面激光雷达和高精度全站仪等测量传感器采集监测数据，建立应县木塔点云模型并进行剖析，得到木塔各层均向东北方向倾斜并存在复杂扭转变形的结论。何 洋12针对木塔各层的梁柱、额枋等横纹受力构件进行了破坏分析，认为其表面的变形可能是由于不均匀、复杂的受力情况导致的。前人对应县木塔的受力变形开展了多项分析，但多是针对应县木塔的柱网变位偏移和受力情况，对横纹抗压承重构件的研究鲜有报道。本文对应县木塔二层明层和五层明层实地勘测，对比分析两层内槽转角柱上普拍枋、华拱和泥道拱的横纹抗压破坏形态，并运用ImageJ软件计算其裂隙率，分析其产生原因，为后期修缮提供基础数据。1 应县木塔二层与五层明层抗压构件勘测应县木塔内部是由5个明层和4个暗层组成，属于多层叠合的殿堂式木构架结构3,13。塔身主体结构由内外槽檐柱和若干梁、枋构成，其中明层内槽转角柱共有8根，每根内槽柱又由梁枋与3根外檐柱相连，共计32根，从而形成了双层“套筒式”框架结构体系14，呈作八角形，如图1所示。槽柱之间通过阑额、普拍枋和地栿等水平方向的构件连接，并通过各种形制的斗拱等传力构件与上部相连。本文针对破坏最为严重的二层明层以及保存最为完好的五层明层进行结构勘察，对两明层各内槽转角柱上的普拍枋、华拱和泥道拱等横纹抗压构件进行勘测，包括其尺寸和含水率，并用相机记录了构件的破坏特征，后使用ImageJ软件计算其裂隙率。木构件命名分别按照PPF-X-NY、HG-X-NY和NDG-X-NY的格式编写。其中，PPF为普拍枋，HG为华拱，NDG为泥道拱，X为层数，NY为内槽转角柱柱号。2 横纹抗压构件的破坏状况2.1 主要横纹承重构件-普拍枋的破坏状况普拍枋又称为平板枋，位于柱头之间，用于承托柱头斗拱，是木塔内部主要的横纹承重构件。图2a、b分别为二层明层5 号和8 号内槽转角柱上方普拍枋的横纹抗压破坏状况，其抗压部位有轻微凹陷，多数端面向四周炸裂，甚至枋体有完全压溃和部分脱落现象，而该层其余普拍枋亦有相似情况发生。应县木塔由于其明暗层叠的结构设计，使其自重大幅度增加，又由于二层明层内槽转角柱上方的普拍枋栌斗侧倾，使荷载集中或偏向于某个局部节点15-16，导致阑额上部普拍枋荷图1 应县木塔水平结构图Fig.1 Horizontal structure diagram of Yingxian Wood Pagodaa.明层二层b.明层五层张凤毫，等：应县木塔部分横纹抗压木构件残损分析35第8期载超过其初始设计值而发生破坏。五层明层位于应县木塔最顶层，其转角柱普拍枋承受竖向荷载较小，因此保存较为完整。图2c展示了该层2 号转角柱普拍枋的残损状态，可以看出，其端面裂缝多为12 条，并沿枋体纹理方向延伸，尚未出现构件压溃和炸裂现象。2.2 拱类构件的横纹抗压破坏状况 华拱是一种垂直于建筑立面的纵拱，位于栌斗之上，主要起到承载上部斗拱的作用。图3a、b、c分别为二层明层3 号、7 号、8 号内槽转角柱上方华拱的横纹抗压破坏状况。从图中可以清晰看到，该层转角柱华拱端面由于荷载偏移出现了较大的开裂现象，且拱身已有部分剥离和折断的趋势，若不加以修缮维护，将影响木塔的安全稳定性。五层明层内槽转角柱华拱的破坏状况并不明显，其端面和侧表面多以狭小裂缝为主，仅有少数华拱变形较为严重。其中，以7 号内槽转角柱上的华拱变形最为明显，其破坏形态主要表现为端部和拱身贯穿式的水平开裂（图3d）。除此之外，并未发现其他严重破坏现象。内槽转角柱泥道拱与塔身立面夹角为45，与华拱相交同处于一个栌斗之中，用于支撑上部拱和枋等构件。转角柱泥道拱的横纹抗压破坏情况以二层明层最为严重。从图4中可以看到，明层二层的3号、5号和7号内槽转角柱上的泥道拱端面沿生长轮层呈片状向四周炸裂，拱身已完全剥离，承载能力大大降低。五层明层各内槽转角柱上的泥道拱保存较为完整，端面并未发生显著变形，仅有少数微小开裂现象，而5号内槽转角柱上的泥道拱相较于该层其他泥道拱而言，其破坏情况较为明显。图2 各层普拍枋的横纹抗压破坏状况Fig.2 Transverse compression failure of each floor of Pupaifanga.PPF-2-N5 b.PPF-2-N8 c.PPF-5-N2图3 各层华拱的横纹抗压破坏状况Fig.3 Transverse compression failure of each floor of flower arma.HG-2-N3 b.HG-2-N7 c.HG-2-N8 d.HG-5-N7图4 各层泥道拱的横纹抗压破坏状况Fig.4 Transverse compression failure of each floor of axial bracket arma.NDG-2-N3 b.NDG-2-N5 c.NDG-2-N7 d.NDG-5-N5林 产 工 业36第60卷文献17-19表明，木材横纹局部抗压破坏形式主要表现为抗压区凹陷，两端纤维发生翘层，且端面往往伴有水平裂缝和沿年轮层屈曲开裂的现象，在长期荷载下逐渐达到屈服破坏，而普拍枋、华拱和泥道拱的抗压形式主要为横纹局部抗压，其破坏特征与文献描述具有吻合之处。李世温20-21分别按照重力传递关系和构件空间位置两种方式对应县木塔各层木材重量进行了详细统计，指出五层明层的构件重量约为510 t，二层明层虽然自身重量较小，但考虑到上部构件重量，其所承受的重量可能要高于1 457 t。从重力传递关系来看，五层明层大约为490 t，而二层明层大约为1 383 t。因此，二层明层所承受的重量要远高于五层明层。重量转化为竖向荷载，并通过梁柱、拱枋进行传递，直接作用于该层的横纹抗压构件。从以上分析可以发现，应县木塔二层明层各内槽转角柱上的构件破坏状况明显重于五层明层。这主要是由于二层明层在承载自身重量的同时，又受到来自二层以上的重力载荷，从而使该层槽柱侧脚增大，进而导致其上方栌斗等构件发生侧倾，使荷载发生偏 移22-23。受此影响，该层内槽转角柱上的普拍枋、华拱和泥道拱等横纹抗压构件破坏较五层明层更为严重。3 横纹抗压构件开裂分析3.1 二层明层横纹抗压构件的开裂分析裂隙率是指裂隙面积与其所在端面面积的比值，往往用来表征物质材料的开裂程度12。应县木塔二层明层和五层明层各内槽转角柱上的普拍枋、华拱和泥道拱等横纹抗压构件因承受塔体竖向荷载而发生不同程度的开裂变形。本研究通过现场勘测和照片采集，后期使用ImageJ软件计算得出各构件的裂隙率。由表1 可知，二层明层以内槽转角柱上的普拍枋横纹抗压开裂最为严重，其平均裂隙率为16.6%，最小裂隙率为11.2%。其中，西南和东北方位的1 号、3 号、5 号、6 号和8 号角柱上的普拍枋的裂隙率分别达到了21.7%、17.7%、15.4%、22.9%和16.6%。其他位置角柱上的普拍枋裂隙率虽然也较大，但并不如上述明显。二层明层内槽转角柱上泥道拱的平均裂隙率为12.0%，而开裂程度较为严重的泥道拱则出现在西南和东北方位的3 号、5 号和7 号角柱上，其裂隙率均超过了20%。该层华拱开裂程度为三者中最小，其裂隙率均值仅为7.7%。同时，开裂较为明显的华拱同样多出现在西南和东北方位的角柱上，这可能与该层塔身自西南向东北方向的倾斜有关24-25。3.2 五层明层横纹抗压构件的开裂分析五层明层各内槽转角柱上构件的横纹抗压裂隙率如表2所示。其中，转角柱上普拍枋的平均裂隙率为2.9%，最小裂隙率为1.9%；而2号、3号和5号转角柱上的普拍枋裂隙率稍大，分别为3.7%、3.6%和4.1%。该层内槽转角柱上的华拱和泥道拱保存较为完好，开裂程度极低，其平均裂隙率分别为2.6%和2.1%，且最大裂隙率与最小裂隙率都出现在8号和3号内槽转角柱上，其值分别为4.1%、1.1%和4.0%、0.6%。与二层明层相比，该层各构件的开裂程度整体而言较为平缓，相差不大。综上所述，二层明层整体抗压开裂严重，且裂损构件多出现于塔身西南与东北方位的角柱上，而五层明层开裂程度远低于二层明层，这可能与其所在位置和塔身倾斜角度有一定关系。二层明层塔身向东北方向倾斜严重24-26，内部表现为西高东低，致使竖向荷载多集中于西南和东北方位的角柱上，从而导致该侧普拍枋、华拱和泥道拱开裂严重。相比而言，五层明层内部柱号二层明层构件的裂隙率/%普拍枋华拱泥道拱121.72.66.7211.25.83.4317.711.125.5413.72.71.5515.412.221.7622.98.211.1713.410.824.7816.67.81.4平均值16.67.712.0表1 二层明层构件裂隙率 Tab.1 Crack rate of components in the second floor柱号五层明层构件裂隙率/%普拍枋华拱泥道拱11.93.12.423.71.21.733.61.10.641.91.11.354.13.63.162.72.61.572.53.62.582.54.14.0平均值2.92.62.1表2 五层明层构件裂隙率 Tab.2 Crack rate of components in the fifth floor张凤毫，等：应县木塔部分横纹抗压木构件残损分析37第8期的倾斜较为平缓，受塔身侧倾影响极小，且竖向荷载较低，因此该层构件开裂较为缓和。4 结论本研究通过对应县木塔二层明层和五层明层的内部结构和各内槽转角柱上的普拍枋、华拱和泥道拱等横纹抗压构件的破坏形态和原因进行分析，并应用ImageJ软件分析其裂隙率，得出以下主要结论：1）木塔二层明层各内槽转角柱上的普拍枋、华拱和泥道拱横纹抗压破坏最为严重，其受压部位多有轻微凹陷，端面向四周炸裂，甚至枋体与拱身有完全压溃和部分脱落、折断现象，该层内槽柱普拍枋、华拱和泥道拱的裂隙率均值分别为16.6%、7.7%和12.0%，亟待修缮与加固。2）五层明层各内槽转角柱上的普拍枋、华拱和泥道拱横纹抗压破坏主要为细微开裂，端面和侧表面多以狭小裂缝为主，尚未出现构件压溃和炸裂现象，其裂隙率均值分别为2.9%、2.6%和2.1%，较二层明层而言，开裂较为轻微。3）对于木塔两层横纹抗压构件的开裂分布，二层明层多出现在塔身西南和东北方位。其中，位于西南和东北方位的1 号、3 号、5 号、6 号和8 号角柱上的普拍枋的裂隙率分别达到了21.7%、17.7%、15.4%、22.9%和16.6%；泥道拱和华拱则以西南和东北方位的3 号、5 号和7 号角柱最为严重，其裂隙率均超过了20%和10%，而五层明层横纹抗压构件在开裂方位上并不明显。参考文献1 付帅,陈泽华,杨小军,等.我国穿斗式木结构建筑研究现状与发展建议J.林产工业,2021,58(05):38-41.2 王林安,樊承谋,付清远.应县木塔普柏枋和梁栿节点残损机理分析J.古建园林技术,2008(02):46-49.3 陈明达.应县木塔M.北京:文物出版社,2001.4 李钊,王志涛,郭小东.残损古建筑木结构力学性能相关研究进展与展望J.林产工业,2022,59(12):39-46.5 陈特,于林波.应县木塔的稳定性评估J.水利与建筑工程学报,2013,11(05):102-106.6 永昕群.应县木塔科学价值、倾斜变形与保护路径探析J.中国文化遗产,2021(01):23-38.7 陈平,李良君,陈厚飞,等.应县木塔二层明层有限元分析及纠偏方案探讨J.建筑结构,2011,41(S1):1490-1493.8 李铁英,魏剑伟,张善元,等.高层古建筑木结构应县木塔现状结构评价J.土木工程学报,2005,38(02):51-58.9 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