引言

木结构古建筑作为我国文物建筑的主体，具有深厚的历史文化价值。因此我国出台了一系列政策加强文物建筑的保护和修缮工作，如2021年11月发布的《“十四五”文物保护和科技创新规划》特别强调，要加强文物建筑的保护工作，实施重要木结构文物建筑的保护修缮工程。我国的地震活动频繁且大多属于浅源地震，破坏性较强，这对文物建筑的保护工作造成很大的困难。在唐山地震、芦山地震、玉树地震、汶川地震中大量的文物保护单位遭受不同程度的破坏（谢启芳等，2010；王少强等，2013；潘毅等，2014），造成了不可估量的损失。其中木结构古建筑的震害主要表现为瓦面破坏（图1）、隔墙倒塌（图2）、榫卯拔出（图3）、木柱滑移（图4）、整体垮塌（图5）等。

图 1  汶川地震秦堰楼屋顶瓦面破坏

Figure 1.  Roof tile damage of Qinyan tower by the Wenchuan earthquake

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图 2  汶川地震平武报恩寺山墙

Figure 2.  Demage of masonry infilled wall of Baoen temple in Pingwu by the Wenchuan earthquake

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图 3  汶川地震青龙寺大殿榫卯拔榫

Figure 3.  Tenon pull out of Qinglong temple hall by the Wenchuan earthquake

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图 4  汶川地震佛图寺柱脚滑移

Figure 4.  Column root slip of Fotu temple by the Wenchuan earthquake

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图 5  2008年汶川地震前后的云岩寺窦真殿

Figure 5.  Douzhen Hall of Yunyan temple before and after the Wenchuan earthquake in 2008

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震害中既有结构构件的破坏，也有非结构构件的破坏。非结构构件主要是指结构中不起承重作用的部分。对于木结构建筑而言结构构件包括梁、柱、枋等，它们通过榫卯节点、铺作层等组成空间木框架，主要起传递荷载的作用；非结构构件指隔墙（图6）、隔扇（图7）、雀替（图8）等，主要起分隔和装饰等作用。根据非结构构件在地震作用下的响应特性可以将其分为3种类型，如表1所示（郭小东等，2021）。

图 6  永乐宫三清殿《朝元图》

Figure 6.  Murals in Sanqing Hall of Yongle Palace

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图 7  皇城相府木雕

Figure 7.  Wood carving of Royal mansion

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图 8  杭州胡雪岩故居雀替

Figure 8.  Sparrow of Hu Xueyan's former residence in Hangzhou

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表 1  古建筑常见非结构构件分类

Table 1.  Classification of typical non-structural members of ancient buildings

非结构构件类型	古建筑中的非结构构件
加速度敏感型	宝顶、博古架、鸱吻、蹲兽、垂兽、瓦当
位移敏感型	隔扇、窗、帘架、碧纱橱、落地罩、栏杆、雀替
混合敏感型 （加速度、位移）	围护墙体、天花、藻井

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国内外学者对木材力学性能、榫卯等关键节点、梁柱木构架的抗震性能等做了较多研究（俞茂宏等，2006），对隔扇、隔墙、雀替等非结构构件的研究较少。对于木结构古建筑而言，赋存文物价值的构件多为非结构构件，例如带壁画的隔墙、带雕刻的隔扇，木结构古建筑中非结构构件的破坏极可能会导致文物价值的降低甚至损毁，从而造成无法估量的损失。因此加强非结构构件的研究，更精准地为古建筑文物的修缮和保护提供依据显得尤为重要。

1.   结构试验

目前，很多学者以实际建筑为原型设计出了含非结构构件的木结构试验模型，并通过结构试验的方法得到其抗震性能，为后续结构抗震性能评估和数值模拟提供了有力依据。

1.1   拟静力试验

对于位移敏感型的结构或构件可以通过拟静力试验的方法探究其抗震性能。拟静力试验得到的滞回曲线可以用于评价结构的刚度、耗能和变形能力等。拟静力试验的成本较低，且在加载过程中可以停下来观察构件的变形情况，因此有着较为广泛的应用（韩庆华等，2020）。

1.1.1   雀替

雀替是用于中国大式建筑檐枋与檐柱相交处的一个构造细部，既是力学的组成部分，又是具有代表性的装饰构件，具有“无雀替不成中国建筑”的重要意义（沈仕娜等，2019）。宋彧等（2004）通过静力加载试验得到试件尺寸和雀替长度等因素对顺水梁受力性能的影响，研究表明雀替能够有效地提高顺水梁的承载力和延性，一定程度上能抑制结构挠度的发展，减小截面应力。李卫等（2013）在对雀替木构架拟静力试验的基础上，通过式1得到节点的转动刚度。研究表明，雀替的存在提高了节点的转动刚度和结构的整体性。付体彪（2018）对带雀替的木框架进行拟静力试验和数值模拟，研究表明，雀替的存在以及构件之间的摩擦对结构的抗震性能产生较大影响。

式中，i为杆件的线刚度；R为相对柔度系数。

1.1.2   隔扇

隔扇是指木结构古建筑上的房屋门，一方面隔扇像现代建筑的房屋门一样起到了分隔空间，通风和采光的作用，另一方面，隔扇门上各式各样的窗格图案，雕刻、镶嵌等具有一定的装饰功能（图9）。

图 9  故宫太和殿隔扇

Figure 9.  Wood partition board of Taihe Hall of the Forbidden City

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日本学者以东本愿寺的隔扇（图10）为原型做了如下研究：須田達等（2014）通过拟静力试验（图11），得到带隔扇木框架的恢复力模型（图12）。瀧野敦夫等（2014，2020）通过试验得到隔扇对木框架受力性能的影响，研究表明隔扇的加入提高了木框架的水平承载力，但对结构的竖向强度影响较小。Wu等（2022）通过试验得到带隔扇和带斜撑的梁柱框架的受力性能，研究表明，隔扇模型与斜撑模型相比刚度大，耗能能力强。

图 10  日本东本愿寺隔扇

Figure 10.  Wood partition board of Tohomoto temple in Japan

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图 11  日本隔扇力学性能试验

Figure 11.  Mechanical property test of Japanese wood partition board

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图 12  日本隔扇恢复力模型

Figure 12.  Restoring force model of Japanese wood partition board

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1.1.3   隔墙

对木结构建筑而言隔墙不仅有保温和分隔空间的作用，同时隔墙的存在也会影响建筑的抗震性能。根据世界不同地区木结构建筑隔墙的特点，其大致可以分为2类，一类是木框架中有对角木斜撑的隔墙，如巴基斯坦、葡萄牙、印度等国家的典型木结构建筑（图13），另一类是没有对角斜撑的隔墙，如中国、日本等国家的典型木结构建筑（图14）。

图 13  典型带对角木斜撑房屋

Figure 13.  A typical house with diagonal wooden braces

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图 14  法海寺大雄宝殿壁画

Figure 14.  Frescoes of Fahai temple

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为研究带木斜撑隔墙的抗震性能，Vasconcelos等（2013）对带隔墙的典型葡萄牙木结构框架模型进行拟静力试验，结果表明带木斜撑的隔墙表现出良好的抗震性能，木斜撑对墙体强度和刚度的退化有抑制作用。Vieux-Champagne（2014）和Poletti（2015）等分别对含不同填充物的墙体模型进行加载试验，结果表明填充物类型会影响木框架的破坏模式，但对墙体横向承载力没有影响。

针对无对角斜撑的木框架隔墙，许清风等（2015）对含隔墙和不含隔墙的木框架分别进行拟静力加载试验，结果表明增加隔墙后木框架的水平承载力、正向刚度及耗能能力均有较大提升。童颜泱（2019）、Xie等（2021）以隔墙尺寸为变量制作了4榀带不同类型隔墙的木构架，拟静力试验结果表明不同类型隔墙的抗震性能相差不大，其最终破坏均为剪切破坏。Qu等（2020）考虑隔墙的高宽比和厚度等影响因素，对6个带隔墙的穿斗式木框架进行加载试验，结果表明使用GB 50003《砌体结构设计规范》中的方程式（式2、式3）可以较好地估算短跨度试样的抗剪强度，但高估了大跨度试样的抗剪强度，因此计算带隔墙木框架的抗剪强度应考虑墙体高宽比的影响。

式中，${V}_{\mathrm{S}}$为墙体的抗剪强度；$ {v}_{\mathrm{m}\mathrm{e}} $为等效砂浆强度；$ {A}_{\mathrm{n}} $为砂浆净断面积；$ {v}_{\mathrm{t}\mathrm{e}} $为砌体黏结滑移强度；$ {\sigma }_{0} $为砌体抗压强度；$ {\alpha }' $和$ {\mu }'$为加载条件系数，当荷载以静载为主时，$ {\alpha }' $=0.64，$ {\mu }' $由式3计算得到。

1.2   振动台试验

振动台试验主要用于加速度敏感型结构抗震性能的评定，是一种最能还原真实地震场景的加载方法，很多学者通过振动台试验研究含非结构构件的木结构古建筑的抗震性能。

日本学者向坊恭介等（2009）和清水秀丸等（2010，2011）参照日本现有的古木建筑，建立了地方型（图15）和都市近郊型（图16）2种典型结构的全尺度振动台试验模型。结果表明，墙体的存在减小了木柱的弯曲应力；对于传统的木结构建筑而言建筑的含墙率对结构的抗震性能会产生较大影响。Dai等（2019）以秦安宫为原型建立结构缩尺模型（图17），通过振动台试验得到结构整体以及隔墙、隔扇、有无基础隔震措施的雕像等非结构构件的地震响应。中嶋裕典等（2019）以日本法隆寺东院钟楼为建筑原型，建立了钟楼的缩尺模型，并对其进行了拟静力试验和振动台试验。试验结果表明，钟的有无会对结构的层间位移、耗能能力、结构固有频率产生影响。Xie等（2020）为明确隔扇对传统木结构抗震性能的影响，对在一个方向有隔扇，另一个方向没有隔扇的缩尺模型进行了振动台测试，研究表明隔扇明显提高了结构的固有频率和阻尼比。张富文等（2021）对穿斗式木结构缩尺模型进行振动台试验，研究表明有隔墙的建筑有较好的抗侧刚度，隔墙的存在限制了榫卯节点的拔榫。

图 15  地方型试验模型外观

Figure 15.  Appearance of local test model

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图 16  近郊型试验模型外观

Figure 16.  Appearance of suburban test model

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图 17  秦安宫试验模型

Figure 17.  Test model of the Qin-An palace

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2.   数值模拟

2.1   雀替

张敏（2016）在考虑几何非线性、材料非线性及接触非线性的基础上，用ANSYS建立了带雀替的木框架数值模型。数值分析结果表明，雀替的存在有效提高了梁柱节点转动刚度的整体稳定性，降低了梁架跨中挠度。戴智彪（2018）对带雀替的燕尾榫节点进行了低周期往复加载试验和ABAQUS数值模拟，2种方法得到的滞回曲线相吻合，验证了用该模型分析雀替受力状态的可行性。

雀替作为枋和柱之间的一个构造细部，不仅起到了装饰作用，同时也改善了节点处的受力状态。试验和数值模拟结果表明，雀替的存在增加了枋和柱之间的接触面积，有效地减小了节点处的剪应力和局部压应力，减小了梁跨中的弯曲正应力，降低了结构整体破坏前发生局部破坏的可能性。雀替存在提高了榫卯节点处的刚度，提高了结构的延性、抗弯承载力和抗剪承载力，增强了结构整体性，并且雀替与枋之前的摩擦可以有效提高节点的耗能能力。

2.2   隔扇

张辰啸（2013）以故宫雨花阁为原型制作了缩尺比例1∶6的试验模型，并完成了模型的振动台试验和ANSYS数值模拟。研究表明，隔扇等非结构构件在强地震作用下发生严重破坏；用非线性半刚性节点模拟卯榫节点具有可行性。郭小东等（2021）从文物价值的角度出发制作3组带隔扇的木框架缩尺模型，并通过拟静力试验和ABAQUS数值模拟给出了综合考虑文物价值和构件损坏程度的带隔扇木框架在不同抗震性能水平下的位移角参考限值（2021）。

试验和数值模拟结果表明，隔扇提高了结构的水平承载力，但降低了结构的延性。在抗震性能方面，隔扇的存在增加了结构的刚度，提高了结构的固有频率和阻尼比。在小震作用下隔扇对结构的耗能能力没有太大的提升，但当结构发生大变形时，隔扇的存在有助于提高结构的耗能能力，同时可以减小结构的层间变形，降低结构倒塌的概率。

2.3   隔墙

清水一史等（2014）以高山市一栋传统木结构建筑为原型，考虑隔墙和雪荷载等因素的影响，通过结构分析软件Wall Stat构筑了其数值模型，并得到了其振动特性。分析结果表明墙体的多少直接影响结构的变形能力。葛威珍（2019）和武林超（2020）分别制作了带隔墙木框架模型和带牖窗木框架模型，并通过低周反复荷载试验和 ABAQUS 数值模拟得到其抗震性能。研究表明，带填充墙和牖窗木框架的水平极限承载力和刚度要远大于空框架；数值分析结果与试验结果相吻合。Wu等（2022）基于Wall Stat程序建立沈阳皇宫颐和殿的三维数值模型，通过对模型进行增量动态分析得到隔墙对木框架抗震性能的影响。研究表明，填充墙的存在大大提高了结构的整体性，降低了结构坍塌的概率。

试验和数值模拟结果表明，隔墙会限制榫卯节点的拔榫，能够减小木柱的弯曲应力，极大提高结构的抗侧刚度、固有频率和阻尼比，增强结构的整体性，降低结构在地震作用下的坍塌概率。除此之外，隔墙中的木斜撑会对结构的抗震性能产生较大的影响，对于带木斜撑的隔墙而言，隔墙的抗侧承载力主要由木斜撑提供；木斜撑之间的砌体只会影响隔墙的破坏模式，对隔墙的抗侧承载力影响较小。但对于没有木斜撑的隔墙而言，砌体填充物的种类、墙体的高宽比、厚度等因素会对其抗侧承载力产生较大的影响。

3.   考虑非结构构件的木结构抗震性能评估方法

考虑非结构构件影响的木结构抗震性能评估方法大致可以分为3类：

第1种是通过试验得到结构的滞回曲线，进而在此基础上得到结构的包络曲线、刚度退化曲线、耗能能力等一系列抗震性能指标，从而对含非结构构件的木结构抗震性能作出合理的评价。村本真等（2020）以日本京都古建筑中的土墙为研究对象，根据试验结果提出了简化的滞回曲线模型。Meireles等（2012）通过拟静力试验得到木框架的滞回曲线，在考虑滞回曲线中捏缩效应、强度和刚度退化等特征的基础上，基于最小数量的路径跟踪规则提出了一种新的滞回模型，该模型与试验结果相吻合。Dutu等（2018）在拟静力试验的基础上提出了一种简化的木框架砌体墙模型，用该模型得到的包络曲线可以很好地模拟结构的初始刚度和最大强度。郇君虹（2020）以带槛窗的单榀木架作为研究对象，通过拟静力试验得到槛窗木构架的滞回曲线，并在动力时程分析的基础上，建立了考虑结构文物价值及整体安全性的易损性曲线。

第2种是先通过试验、数值模拟等方法拟合出结构的强度、挠度等相似经验公式，然后通过相似经验公式评价结构的抗震性能。例如宋彧等（2005）通过拟静力试验探究雀替对木结构受弯构件的影响，并基于相似原理推导出含雀替木构架受弯构件的强度和挠度公式。山田耕司等（2017）提出了木框架中灰泥挂墙的抗力计算方法，并通过全尺寸模型的推复试验，验证了该计算方法的正确性。山田耕司等（2018）考虑到挂墙的剪切破坏和挤压破坏修正了上述抗力计算方法，并通过与全尺度试验的比较和数值分析验证了此计算方法的有效性。中治弘行等（2019）考虑到上述计算方法对大截面木框架的适用性，设计了柱截面面积为210 mm²的大截面挂墙木框架模型，并通过拟静力试验验证该抗力计算方法对大截面木框架的适用性。

第3种是通过对建筑的实地调查、微震监测或查阅震害资料等方法，综合考虑各种因素的影响，建立相应的评估模型对结构的抗震性能进行综合评价。袁建力（2018）基于地震灾害统计资料，归纳出带隔墙木构架的损伤特点，并通过动力特性现场实测和ANSYS数值分析得到隔墙对木结构古建筑基本周期及抗震能力的影响。研究表明隔墙大大提高了结构整体的刚度，在墙体基本周期方面数值计算结果与实测结果相吻合。池田雄一（2020）对2016年熊本地震后的一处传统木屋进行了实地调查。并通过地震响应分析，对其进行了抗震性能评价。羽原琢朗等（2022）基于多个建筑结构的微震记录，提出了一种考虑隔墙的木结构房屋的刚度估算方法，并利用19栋木制住宅的实测微震记录和制图信息验证了该方法的有效性。该方法可以把墙的标准刚度、墙的开口或形状等参数考虑在内，减小了结构特征频率的估测误差。

4.   结论

本文从试验研究、数值模拟、抗震性能评估方法3个方面系统总结了考虑非结构构件的木结构古建筑抗震性能的研究进展，主要有以下结论：

（1）非结构构件作为我国古建筑文物价值的重要组成部分，研究其受力性能及其对结构抗震性能的影响具有重要的意义，国内学者主要以隔墙、隔扇、雀替为研究对象，通过拟静力试验、振动台试验、数值模拟等方法对其进行研究。

（2）国内外学者通过滞回曲线，强度、挠度的相似经验公式，建立考虑多种因素影响的评估模型，对含非结构构件的木结构古建筑的抗震性能进行评估。但是目前的评估方法不够系统、全面，其应用具有一定的局限性。

（3）隔扇、隔墙、雀替等非结构构件在限制榫卯节点拔榫、改善节点及构件的应力集中等方面具有积极的作用，非结构构件的存在一定程度上增加了结构刚度、强度和耗能能力，降低了结构在地震作用下坍塌的概率。

本文只针对已有木结构古建筑抗震性能的研究进行归纳阐述，考虑到我国木结构古建筑的特点，未来对于其抗震性能的研究仍有以下几个方面工作有待深入开展：

（1）对于木结构古建筑而言，非结构构件的种类繁多，形式多样，除上述的几种非结构构件外，对其他构件的研究明显不足，因此要加强非结构构件研究的深度和广度，完善分析非结构构件受力性能的方法，并制定相关的标准，为古木建筑抗震性能的评估及其保护和修缮工作提供借鉴。

（2）目前对非结构构件的研究主要是其对结构抗震性能的影响，考虑到木结构古建筑特殊的文物价值，在研究抗震性能的同时，还要充分考虑其价值特性，研究非结构构件本身的力学特性及破坏特征。

（3）目前我国对非结构构件的研究以其在单榀木框架下的受力特性为主，在实际震害中木结构古建筑往往由于其刚度不对称发生扭转，从而加剧非结构构件的平面外破坏，因此应开展含非结构构件的空间木结构研究。

致谢 感谢论文所提及的各位学者，各位学者的研究文献给了我很大的启发，所做出的研究成果对我完成此论文有很大的帮助。同时也非常感谢各位审稿专家和编辑老师提出的宝贵修改意见。