木结构古建筑的结构与构造-基础、台基与础石.pdf

丈物建筑的结构与构造血仍需&芳豺技士单XIAN UNIVERISTY 0F ARCHITECTURE AND TECHNOLOGY,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梯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地点 陕西半坡及河南庙底沟 陕西岐山召陈F3溃址陕西咸阳市东郊咸阳宫1只溃址陕西西安北郊 西安灵感寺（唐伴 黑龙江宁安县长安城“明堂”涉加 改名为吉龙寻 溃址 渤海镇渤海国溃址陕西半坡F24遗址木柱一烧爆草筋泥面 层50 200mm 厚-木板防潮必-早期屋址杂土二二垫层77河南战廊 沟302遗址而 图 及 说 明木柱-草筋泥掺烧I:末20厚-红褐上垫层 100 250mm 摩4黄土为二熊一扁卵石-柱础石-夯I.搏大砾石秀上冰冻层：一厂朱红胶旗地面-细犍泥60mm厚-滑布泥 50-lOOmm-红烧上颗粒防潮片150mm室内地面-350mm X 350mm 木柱-柱础石L夯上台基红细泥 麦微泥-麦秸泥 一席-木炭层 等防潮 层讫今所发现的最早的扩大 杵础做法,立柱的稳一不靠 栽埋.而靠杵顶与梁的联 格故木柱埋入土中很浅F3 H溃址为该溃址叱为在有土壤内嵌人木壁群发较大的一座件础件的杆础.为当年大的木柱 石有径为1000之一种.与夯土堵共同承重,1200mm.以下的弃土咸阳宫为12层的官城,琼层中掺入大砾石,向下 深至冰冻线以下在59m高的奔士分卜.十 台用纯净稻十.分层夯实，每 层为8090mm厚奔具用直径为8090mm的木料 制成柱径约为550mm 件础均为平面明础,旱 讫今H知最早的明础 说明此时卜部木构架H 具一定刚度.无须再匏 栽柱保证柱根通风，防 止腐朽；杲技术卜的小 大突破柱础石下有讫 今H知最早的素十.磔 墩其平面比样础大 一倍寺 lili a A 1300 1400mm的台基卜.台 荒由土中掺入碎砖瓦、石灰、烧土碎块等分 层夯层c木柱呈梭形.国ft“脚脚”（即柱响 内倾hi兑明日开始有 牝增畏结构蕊济的求 要带旅.林础石为明 础.拓底厚为300 400mm.下外弃筑密 实的素+6集做冰冻线“渤海国”为唐侔 东北的地方政权.首府在今牡丹江市 郊.当地火山史丰 富、林础多用之，碌 墩为十.、砂或砂石隔 层夯实，每层厚约 100mm，其深度为 1700 1800mm 与 现今测定的冰冻线深 度相幻2台阶与基础由上页图可以看到，唐宋时期台基、磔墩、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 X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，二层夯土，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。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。富殿要筑的复葬座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亘 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台阶与基础台基的构造台基的高宽比很小。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。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。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台阶与基础磔墩、拦土与灰土垫层台基的每柱之下均有砖砌磷墩，磷墩之间有石专石砌筑的拦土，磷墩与拦土之下有 灰土垫层。作用：”拦土“可以限制碟墩的侧移，和碌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台阶与基础础石础石为柱下基础，设于台基中碟墩之上。础石一般顶面加工成光 滑平面，也称为“古镜”或称“鼓镜”。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。y2台阶与基础柱础的“海眼”和“诱眼”中式木构中有将柱制成管脚梯或套顶桦，分别插入柱础的“海眼”和“诱眼”套顶棒套顶桦作用:y古镜柱础套柱础竹脚棒海眼管脚樟作用：梯头很小 主要起定位作用。一柳插入透眼较深，柳截面较大，能承受一定的弯矩与水平推力。1套顶梯缺点：柱根及柱顶弯矩较大，成为整个构架中的薄弱 环节2台阶与基础柱浮搁与础石之上的摩擦隔振作用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。原理：支座能承受一定的水平推力，最大水平反力二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，柱础起到不动较支座的作用，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。72台阶与基础木材与础石间摩擦系数的测定与隔振试验础石顶面越光滑，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。Z1）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。V）2台阶与基础柱础的做法（四种形式）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。也有做成套顶樟，将柱子由础 中心穿下去，以稳固柱脚。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X._各历史时期柱础的演变2与基础（a）应县木塔附阶19号柱（辽代）（五台山佛光寺文殊殿（金代）（C）襄垣文庙大成殿（元代）（d）榆次沛林东佐付张氏宗祠（明代）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 度凭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 短。2台阶与基础地基基础力学性能及隔振机理中国古代木构建筑中典型的抗震技术，比如典型的樟卯连接、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。最初由在美国的英国医生J.A.Cagntarients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56m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台阶与基础复合地基的物理力学性能试验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lOOOmmX 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。试验结果.1）7萩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 Y 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一双槽殿堂建筑为分析糯米层拌灰上基础的承载能的是否能保证上部结构的安全陶现在取 营造法式中的殿堂式结构.严格按照宋代营造法式中所规定的材份制度.设计一双槽殿堂建筑进行验算,无副阶.五间十椽.采用二等材,柱高320份.柱彳空42份采用糯米层拌3：7灰土基础（注：宋-1份=1.76cm）0承载力核算过程如下。1.载荷计算1）构架自重（该建筑以心间左右对一称.故只取殿身一半）计算按相关文献中的相关说明进行.在进行构架计算时已将屋架层和铺作层 的重量分别算到其下所对应的柱上。其中单位“斤”为宋斤.由lkg=1.6宋斤.可得构架总重 Mi=713 598 宋斤=445 998（kg）2）柱础、砖嗓墩重量按照营造法式卷三柱础做法制度,柱础尺寸为148cmXI48cmX96 cm.采用青石板制作。柱础12块重为70 653.6 kg。2台阶与基础古建筑基础承载力核算算例一双槽殿堂建筑大式建筑台基做法中;台明高为檐柱高的1埋深等于台明高之半,算出台 明及埋深后则可根据柱础、磔墩与台明、埋深的关系推算出砖蹂墩高度为85cm。再由柱础与砖蹂墩关系.可以得到硬墩平面尺寸为161cmX161cmX85cm。柱础与砖磔墩总重 M2=144 684kg2.砖磔墩与灰土接触面的应力计算取砖磔墩地面积 A=1.61mXl.61mxi2=31.1(m2)(Mi+M2)Xg(445 998+144 684)X 10=189 929.9(N/m2)189kPa31.13.单磔墩与灰土接触处应力(取檐柱处磔墩进行验算)31485 1-6XH)=196 474j4(N/m2)196kpa1.61 X 1.61求.经比较可以看出试验所得的稻米层拌灰土基础强度完全能够满足设计要 可保证其上部结构的安全。2台阶与基础古建筑基础承载力核算算例一应县木塔实例核算桶米汁拌灰上用础只是在些市:要建筑.如北京故宫、清代陵寂的展础处 理I.采用了这一做法现以9层佛塔结构进行承载力脸算。其设计参数参考应县 木塔资料.佛塔高67m八角形.为殿堂式构架金箱斗底槽面阔三间面广578 份.径1395份.二等材一建筑物采用明暗层相间的结构布局.明层柱高258份.暗层柱高自卜而上为240份、230份、220份、200份。底层柱高51()份.并有周 匝副阶.暗层之I:设平坐.屋顶平梁设塔刹。底层设外擀柱二十四根.内柱 16根内外柱各有周匝额防连接外檐柱内侧各设仃一根斜柱支撑每抿内柱 则有三根斜柱支撑。为了计算方便.磔墩平面尺寸取叮柱础同。(1)木塔门重共计2 517 524宋斤.取2 518 000宋斤。换算得I：部结构重：M,=l 573 750kgo(2)柱础及硬墩总币:：M2=7 726 672kgt(3)砖臊墩与灰土接触面面积:八=968.3m(4)砖磔墩与灰上接触面应力(M+M2)g(1 573 750 4-7 726 672)X 10 2 八一.八”2、八、a=-=-=9c!)!)!).I(N m)!)6kraA 968.3由此可以看出稻米层拌灰上旗础承栽力完全可以满足卜.部结构的安全性 要求。经过k述算例分析可以初步了解古代重要的建筑物如北京故宫、清代陵寝.其展础采川糕米层拌灰上这一复杂的做法是有H内在的力学依据的.该做法通过 在两层夯上之间掺人稀米汁层提高原。灰上旗础的承载能力.其I.部结构的安 全系数得到大大的提高。AUTHOR LISTA D Aemouts,J.41 Dirckx,J.41,53,95,Aerts,J.53 161,171 Albertazzi,A.1 Debruyne,D.Ill,121,201 Anguiano-Morales,M 63 De Coster,J.141 Arai,Y.73 De Wolf,I.141 Augier,A.85 Decraemer,W.161 Akta,D.151 Dolinko,A.255 De Prins,D.287 De Roeck,G.287B Dom,D.297 Buytaert,J.95 Degrieck,A.327,369 Billiet,S.171 Domken,I.349 Busse,G.235 De Pauw,S.369 Burguete,R.265 Duflou,J.379 Barbier,C.349 Dewulf,W.401 Bleys,P.359,401 Belkassem,B.379E Evingiir,G.151c Caucheteur,C.103 Chah,K.103 F Cofaru,C.111 Fahlbusch,T.245 Cooreman,S.121,201 Coppieters,S.121,201 Craeghs,T.131 G Cordero,R.217 Garnica,G.63 Coggrave,R.265 Garcia-Munoz,V.103 Gea,S.161 Goiji Ghalamestani,S 171 Guillaume,P.211,297,389 Gerhard,H.235 Georges,M.349H Melkebeek,J.171 Marx,U.227 Menner,P.235 Mirzaei,S.245 Molimard,J.255 Makris,A.275 Mersmann,C.317 Minchev,G.327 Hilgert,T.171 Hotaf,V.181 Holak,K.191 Heymer,A.227 Huntley,J.265IN Nguyen,N.265o Osten,W.11 Ivanov,B.327JKP Philips,W.Ill Pckcan,0.151 Prcsezniak,F.389 Picrlet,M.401 Kinet,D.103 Kruth,J-P.131,359,401 Kohut,P.191 Kaufmann,M.227 Kaufmann,G.255 Kiekens,K.401LQR Rayas,J.63,217 Rivero,D.85 Rahlves,M.245 Lava,P.Ill,121,201 Longo,R.211 Lamkanfi,E.275 Reithmeier,E.245 Ramault,C.275 Reynders,E.287M Martinez,A.63,217 Mcgrct,P.103,411s Sirohi,R.31 Santoyo,F.63Sangameswaran,S.141Vanlanduit,STUSchmitt,R.Sainov,V.Stoykova,E.Schoenberg,AShulev,A.Sol,H.Steenackers,G227,317307,327,369307,327,369317369379389WVan Hemelrijck,D.275Vervoort,A.Van Gestel,N Vasilakos,I.Verbert,J.Vuye,C.Voet,A.211,297,389339359379379389401Takegawa,T Tavallali,A.Thizy,C.73339349Wuilpart,M.103,411Welkenhuyzen,F.359,401Uhl,T191YYokozeki,SYuksel,K.73411Viotti,MVan Paepegem,W.111,275,Vandevelde,L327,369171ziii