明清典型斗拱的侧向滞回性能与简化模型的试验与数值研究

保护建筑免受地震的古老木制撑架

中国许多宏伟的历史木制牌楼、殿堂和楼阁经受了数百年的地震而屹立不倒。其中一个关键原因是看起来有些奇特的互锁木块和梁的堆叠结构——斗拱。本文深入研究了明清时期一种重要的斗拱家族在摇动时的摆动与滑移行为，以及如何用一个简洁的工程模型来描述其力学特性。理解这一隐蔽的木质“减震器”有助于更好地保护世界遗产建筑，并为受其启发的现代结构设计提供更安全的方案。

带有社会含义的木制拼图

斗拱不仅是结构技巧，还是身份地位的象征。在普通历史民居中只允许使用体积小、形式简单的雀替，而城门和宫殿等官署则使用体量大、绘饰丰富的木块堆叠。作者关注的是用于重要公共建筑的这些中–高级明清斗拱。与早期更为繁复的宋代款式相比，明清斗拱更纤细、更紧凑，悬臂较少，屋顶到柱墙的力传递路径更直接。这些差异表明，它们在地震作用下的响应可能与以往多数研究关注的老式斗拱不同。

三种斗拱类型，框架中的三处位置

研究者考察了三种典型的斗拱布置，每种对应木构架中的不同位置。一类位于柱间（DGPS），并未直接与柱相连；第二类置于柱顶（DGZT）；第三类位于两墙相接的角部（DGJ）。通过对北京和山西历史城门与楼阁的细致现场调查，团队按原尺寸的三分之一复原了这三种布置，所用松木与古建相同。研究先测试了木材本身的基本强度，然后装配出与历史形状高度相符的试件。

摇动斗拱以揭示隐藏的位移

试件安装在刚性钢架中，按慢速受控循环前后推拉以模拟地震作用。小配重模拟屋顶向下的荷载。随着位移增大，团队观察裂纹、分离与破坏并记录推拉力。三种类型均表现出接触面之间显著的滑动，同时在关键接触点出现木纤维的逐步压碎与劈裂。力—位移曲线形成在中间收窄的环路，即所谓“捏合”现象，表明结构在循环中发生开合且刚度逐步退化。三者中柱顶（DGZT）与角部（DGJ）斗拱在耗能方面表现更好，而柱间（DGPS）斗拱保持了更多刚度但耗能较少。

由复杂雕刻到简化线框

真实斗拱包含许多小块与接触面，对整座建筑进行精细数值模拟耗时且成本高。为此，作者为每种斗拱建立了细致的三维仿真，并追踪应力集中的主要内部“力流”路径。他们用少量理想化的梁与支杆替代复杂几何，有时引入在实物中并不存在但能代表整体作用的构件。特别关注了受压木材绕隐蔽榫卯变形的行为，这决定了构件在屈服前可相对移动的距离。最终得到的简化梁模型只使用原始模型很小的一部分计算资源——元素与节点数量在数量级上仅为原来的几个百分点——同时仍能捕捉到关键的摆动与滑移行为。

检验这一捷径是否可靠

随后在数值环境中以与试验相同的位移驱动这些简化模型。与实验结果相比，精简模型再现了试验曲线的总体形状以及随位移增大而下降的刚度趋势。简化模型中高低应力分布的模式也与详尽仿真相符。在非常大位移情况下出现了一些差异，此时实木缺陷与复杂摩擦效应变得重要，但在结构评估最相关的位移范围内，两者的一致性已足以用于工程应用。

这对当今古建意味着什么

对非专业读者而言，核心结论是：这些层叠的木质斗拱并非脆弱的装饰品；它们像内置的缓冲器，使历史建筑能在地震中摆动、滑移并耗散能量而不至于倒塌。本研究表明即便是“更简洁”的明清斗拱也能发挥这种保护作用，并为工程师在整体建筑模型中用紧凑的方式表示它们提供了手段。这大大便于评估大型木结构文物的安全性，并在尊重原貌的前提下规划修缮或加固方案。

引用: 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

关键词: 斗拱, 抗震性能, 木结构遗产, 明–清建筑, 能量耗散