Экспериментальные и численные исследования бокового гистерезисного поведения и упрощённой модели типичного Доу-Гун эпох Мин и Цин

Древние деревянные кронштейны, защищающие здания от землетрясений

Многие из величественных исторических деревянных ворот, зал и башен Китая выдержали столетия сейсмической активности. Одной из ключевых причин является своеобразная стопка сцепленных деревянных блоков и балок, называемая Доу-Гун. В этом исследовании подробно изучается, как одна важная группа таких кронштейнов эпох Мин и Цин качается и скользит при толчках и как их поведение можно описать простой инженерной моделью. Понимание этого скрытого деревянного «амортизатора» помогает лучше сохранять объекты всемирного наследия и проектировать более безопасные современные конструкции, вдохновлённые ими.

Деревянная головоломка с социальной символикой

Доу-Гун — это не просто структурный приём; это также символ статуса. В обычных исторических домах разрешались лишь небольшие, простые кронштейны, тогда как у городских ворот и императорских залов — крупные, богато расписанные стопки блоков. Авторы сосредотачиваются на этих средне‑ и высокоуровневых кронштейнах Мин–Цин, использовавшихся в важных общественных зданиях. По сравнению с более сложными версиями Сунской династии, Доу-Гун эпох Мин–Цин более стройный и компактный: у него меньше выступающих рук и более прямой путь передачи усилий от крыши к колоннам и стенам. Эти отличия предполагают, что на землетрясениях он может реагировать иначе, а не так, как более старые кронштейны, которыми занималась большая часть предыдущих исследований.

Три типа кронштейнов, три позиции в каркасе

Исследователи рассмотрели три типичных расположения кронштейнов, каждое из которых занимает свою позицию в деревянном каркасе. Один тип размещается между колоннами (DGPS) и не связан с ними напрямую. Второй тип опирается на вершину колонн (DGZT), а третий располагается в углах, где сходятся две стены (DGJ). На основе тщательных полевых обследований исторических ворот и башен в Пекине и Шаньси команда воспроизвела эти три расположения в масштабе одна треть, используя тот же тип сосновой древесины, что и в оригиналах. Они проверили прочность самой древесины, а затем собрали испытательные образцы кронштейнов, точно соответствовавшие историческим формам.

Встряхивание кронштейнов, чтобы выявить скрытое движение

Кронштейны закрепляли в жёсткой стальной раме и прогоняли взад‑вперёд в медленных контролируемых циклах, имитируя землетрясение. Небольшие грузы имитировали давление от кровли сверху. По мере увеличения смещений команда наблюдала за растрескиванием, расхождением и разрушением, регистрируя силы при толчках и натягивании. Все три типа продемонстрировали интенсивное скольжение между сопрягаемыми деревянными поверхностями, а также постепенное смятие и расслаивание волокон древесины в ключевых контактах. Графики силы по отношению к перемещению формировали петли, сужающиеся в середине — эффект, называемый «защемлением», — что указывает на то, что части конструкции открываются и закрываются в каждом цикле и что жёсткость постепенно снижается. Среди трёх образцов лучше всего рассеивали энергию кронштейны, опирающиеся на вершины колонн (DGZT), и угловые (DGJ), тогда как междуколонный кронштейн (DGPS) сохранял большую часть жёсткости, но рассеивал меньше энергии.

От сложной резьбы к простым линиям

Поскольку в реальном Доу-Гун участвует множество небольших блоков и контактных поверхностей, детальные компьютерные модели трудоёмки и дороги при моделировании целого здания. Чтобы решить эту проблему, авторы создали уточнённые трёхмерные симуляции каждого кронштейна и затем выделили основные внутренние «пути передачи усилий», где концентрировались напряжения. Они заменили замысловатую геометрию несколькими идеализированными балками и связями, включая элементы, которые буквального аналога в древесине не имеют, но передают её суммарный эффект. Особое внимание уделялось тому, как сжимается древесина вокруг скрытых шипов, которые контролируют величину перемещений до пластической деформации. В результате получилась упрощённая балочная модель, требующая доли вычислительных ресурсов — порядка нескольких процентов элементов и узлов от исходной модели — при сохранении ключевого качательного и скользящего поведения.

Проверка, действительно ли работает сокращение

Затем упрощённые модели подвергли воздействию в виртуальном пространстве теми же смещениями, что использовались в лабораторных испытаниях. При сопоставлении результатов исследователи обнаружили, что упрощённые модели воспроизводят общую форму экспериментальных кривых и снижение жёсткости по мере роста перемещений. Картины зон повышенных и пониженных напряжений в упрощённых моделях также соответствовали детализированным расчётам. Некоторые расхождения возникали при очень больших смещениях, где важную роль играют дефекты древесины и сложные эффекты трения, но для диапазона, наиболее значимого для оценки сооружений, соответствие оказалось достаточным для практического применения.

Что это значит для исторических зданий сегодня

Для неспециалиста главный вывод таков: эти слоистые деревянные кронштейны — не хрупкая лепнина; они действуют как встроенные подушки, позволяющие историческим зданиям раскачиваться, скользить и рассеивать энергию землетрясений без обрушения. Исследование показывает, что даже «более простые» варианты Доу-Гун эпох Мин–Цин выполняют эту защитную функцию, и предлагает инженерам компактный способ представить их в моделях всего здания. Это значительно упрощает проверку безопасности крупных деревянных памятников и планирование ремонтных или упрочняющих работ, сохраняющих их первозданный облик.

Цитирование: Cui, Z., Chun, Q., Yuan, Y. et al. Experimental and numerical research on the lateral hysteretic behavior and simplified model of typical Dou-Gong in Ming-Qing dynasties. npj Herit. Sci. 14, 57 (2026). https://doi.org/10.1038/s40494-026-02340-x

Ключевые слова: Доу-Гун, сейсмические характеристики, деревянное наследие, архитектура Мин–Цин, поглощение энергии