斗拱看起来一个个部件组成，为什么能稳、能承重，我们来看看它的受力原理。我国单层古代木构建筑从竖向可以分为台基层、柱架层、斗拱层、梁架层,各层都是独立的整体,层层垒叠而构成建筑整体。屋面荷载及屋盖荷载由梁架层传于斗拱层,再由斗拱层传于柱架层,最后由柱架层传于台基层。铺作层是柱架层与梁架层或平座层之间的过渡层。斗拱本身由斗、拱、昂等构件分层铺排,以横木交叠形成一朵朵倒锥形支座,水平向和竖向均可发生弹塑性变形。每朵斗拱在竖向平面内呈倒三角形,座于柱头之上,上乘梁架。梁架与柱架间斗拱的单朵整体转角和各层间摩擦系数决定了斗拱层所能传递的摩擦力的大小,限定了其上梁架层所能发生的最大水平加速度。
拱、昂都是顺纹受弯、横纹受压的构件。斗底都相当于受压垫板,是上部荷重的总的集中点。斗拱整体可看作以横木交叠形成伸臂受弯压的梁垫,其作用相当于竖向可压缩变形,竖直向平面内可转动,水平层间可滑移的,倒置的弹性固定铰支座。
一朵斗拱的一层,俯视下去为“十”字、“丰”字、“米”字形,每一个交叉点处,华拱、余拱要开豁槽相扣,豁口开在主要受弯拱华拱的受压区,该区域正好由与之相扣的余拱填实,不影响压力传递。用华拱承担大梁荷载沿房屋横向顺大梁放置。而承担荷载较小的余拱沿房屋纵向设置,余拱的豁口开在支座截面受拉区,当纵向也有荷载传下时需要增加上弦拉杆以补足余拱抗弯能力。华拱和余拱的垂直搭扣同时使十字交角具备了维持直角正交的能力,再加上斗耳的楔卡作用,保证了整朵斗拱纵横向坚固正交。华拱所受荷重最大。如果铺作层数多,华拱和昂的截面长轴在同一竖向平面内,形成高数材、厚十分的纵向悬臂叠合梁。
华拱与余拱间的“十”字搭扣同时也起到平面外互为支撑的作用,可以防止叠合梁平面外失稳。如果把斗拱比作球铰支座,则它的根倒支在庞大的屋架梁析上,铰头倒顶在柱头中央。虽然铺作种类多样,但它们的构造原理和传力方式大同小异。
拱可按受荷方向分为横向拱,如华拱、昂,其受力方向与梁架方向平行,是主要承重构件,主要承担大梁和挑檐析传来的竖向荷载平行于纵向析方向的为纵向拱,如泥道拱、慢拱、令拱、瓜子拱,受荷较小,只承担纵向析方传来的竖向荷载,但它们更重要的作用是充当横向华拱的平面外支撑,加强斗拱与上部构件的连接,增加斗拱的扭转刚度,使斗拱成为各向稳定的空间支座。纵向拱组作为素方和析的支座承担析头传下的压力,并层层相衬,构成襻[pàn]间,完成房屋整体纵向联结。
昂的截面较大,是良好的受压构件,主要作用是传递上部传来的压力。除了受压外,昂也承担一定的弯矩。昂是斗拱各构件中最长的构件,尤其是昂尾还与上方屋搏相连的下昂。昂头昂尾受的压力不均,产生弯矩。
华拱是主要的受弯受压构件。华拱、余拱要开豁槽相扣,豁口开在华拱的受压区,该区域正好由与之相扣的余拱填实,不影响压力传递。华拱是斗拱各构件中承受弯矩最大的构件,尤其是短跳华拱,承担着斗拱上部传来的主要压力,而这些压力又集中在华拱的中间和两端,如图。下方护斗支撑拱身中部,华拱拱头部产生较大的弯剪应力,如图。
泥道拱、瓜子拱、这些拱的中部截面小,慢拱、令拱,受荷较小,只承担纵向析方传来的竖向荷载。抗弯能力弱,尤其是慢拱比较长,抗弯能力更差,如图。
各斗的功能主要是传递上部传来的压力,将上部传来的压力传递给下面连接的拱的两端,如图。护斗是主要的受压构件,它是斗拱中承担压力最大的构件。它将斗拱承担的所有压力传递给下部与它连接的普拍方或阑额加图。
斗耳也有其重要的功能。在铺作层中,承托梁架的华拱和承托析杭的令拱是垂直交扣,这种交扣本身维持直角正交的能力较差,如借助于斗耳的掖角楔卡作用,便可作到相当的固定。可见斗耳在维持矩形直角方面有着至关重要的作用,不可或缺。
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