湖北工业大学硕士答辩

题

目：

钢—木组合结构仿古建筑综合成套施工技术Steelandwoodcompositestructureofantiquebuilding

integratedsetsconstructiontechnology答

辩

人：

白少华指导老师：

曾三海答辩时间：

2012年5月湖业工業大学HUBEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY硕士毕业论文答辩目

录·一、技术项目课题背景及技术研究·二、技术项目研究的方法及技术研究线路·三、主体钢结构弹塑性动力与节点的力学行为的理论分析

·

四、研究的六项关键性技术·4.1塔式结构层间钢柱“内收承插”节点控制技术

·4.2钢—木组合斗拱结构构架创新施工技术·4.3超长悬挑钢椽飞檐结构安全与施工控制技术

·4.4仿唐屋面翼角钢结构构架综合技术·4.5高层塔式钢结构施工安全与综合监测控制技术·4.6钢构件防火涂料表面一次成型仿古油漆工艺技术

·五、技术研究效益分析和技术成果·结束语湖业工業大学·一、技术项目课题背景及技术研究·1.1中国传统建筑的发展概况·中国建筑就是中国文化的一个典型的组成部分，很早便发展成为它自己独有的特性。中国古代劳动人民创

造了世界建筑史上中国所独有的、有着强烈个性的木构

建筑体系，现存古老的建筑五台山佛光寺大殿、南禅寺

、应县佛宫寺木塔，以及皇家建筑的北京故宫、天坛、颐和园等就是典型的中国木构体系建筑代表。中国古代

建筑的结构和构造，无论方法、取材、形制、用料大小

都是依照当时所用的“法式”、“做法”、“定制”等来决定的。

一类是官方颁布的，如宋代的《营造法式》、清代的《工部工程做法则例》等；另一类是各地的匠师们，根据自己的经验并结合当地的具体情况创造出来

的一套习惯方法。其次，中国古代建筑的设计和施工基本上是基于一种“预制”和“装配”式的工艺观念而来

的。湖业工業大学从20

世纪早期开始，以现代的建筑材料和结构方法

来模仿古代形式的建筑逐渐出现，建筑大师梁思成、林

徽因、刘敦桢致力于理论的探索。近年来，随着科学的

飞速发展，新技术、新材料不断地革新，为传统建筑的

发展创造了难得的历史机遇，钢筋混凝土、钢结构等不

同结构形式广泛地应用到仿古建筑中，仿建不同时代的

楼、阁、塔、殿等建筑。在传承传统建筑艺术的过程中

,通过设计理念和施工技术相结合的手段，巧妙处理后把结构形式和建筑艺术形式有机的融合，形成材料、结

构和功能与形式的高度统一，是传统建筑艺术实现创新

的关键所在。湖业工業大学·1.2中国古建筑木结构塔和现代复建钢结构仿古塔的研究

及技术比较在中国古代建筑中，佛塔最主要的有楼阁式和密檐

式两种。密檐式塔为砖石结构，楼阁式塔为木结构或砖

石结构，山西应县佛宫寺木塔是我国现存最高最古的一

座木构塔式建筑；现代复建的钢结构仿古塔杭如杭州西

湖雷峰新塔，为楼阁式塔。木塔和钢结构塔的材料、构

造、形式均有不同的特点，下面以两座塔为例，分析结

构构造和技术方面的情况：湖业工業大学·

(1)应县木塔●

应县木塔塔底层直径30米，全

塔总高67.13

米，重量约1300吨。

应县木塔是古代建筑中木结构构

架应用的最典型案例，也是建筑

艺术的精品。它将斗拱与梁、枋

、柱等各种构件科学组合，构成整体，整体架构所用全为木材，没有一根铁钉，数以万计的构件

金靠卯榫互相咬合固定在一起

；

塔内上下层的连接采用了“叉柱

造

”的方法。从而造成逐层内收

的效果，进一步增加了木塔的稳

定性。另一方面，木结构建筑应

用的斗拱和卯榫的咬合不是刚性

连接，外力作用时，构件之间产

生一定的位移和摩擦，可以吸收

和损耗部分能量，起到调整变形

的作用，构成了木塔建筑的柔韧

性。湖业工業大学·

(2)杭州西湖雷峰新塔雷峰新塔于2002

年10月重建

于杭州西湖雷峰塔原址上，新塔

为乎面八角形的楼阁式仿宋塔，塔身外观五层，塔体总高度72m,

总建筑面积6089

m2。主体结构为

高层钢框架支撑体系，斗拱、瓦

、枋等古构件采用铜制构件装饰

,虽然达到了古建筑的艺术效果

,但形成了结构与形式的有机分

离。雷峰新塔充分利用了钢结构

的特点，采用矩形钢柱向内倾斜

,达到内收的效果，同时也带来

了一系列问题：1、由于钢柱向内

倾斜除传递竖向荷载外，还产生

较大的水平荷载，增加了设计基

础和各受力杆件用材和构造处理

难度；2、梁柱节点的构造更为复

杂，不仅产生影响装饰效果的矛

盾，也给杆件连接部分的施工质

量控制带来了很大的困难。湖业工業大学·1.3泾川大云寺博物馆舍利

塔工程·甘肃省泾川大云寺博物馆舍

利塔工程为一座四角仿唐攒

尖式佛塔，塔身外观七层七

檐，建筑高度95

m,

总建筑

面积5489

m2。

本工程结构

类型为钢框架—支撑体系，关键的柱头斗棋、枋部位采

用传统的木斗棋施工工艺，为钢～木组合连接施工，斗棋的运用采用唐代形制，斗

棋用材硕大雄浑，用材275

mm;

木材用量约1500

m3。湖业工業大学·1.4工程技术的特点和难点·1)塔体钢结构体现了“高、难”的特点，在塔身逐层

向内收缩，外槽钢柱内移200～300mm,角柱相应向内45

°,方向位移，钢柱形成“错位”,上下柱接头“承插

”连接。·2)

翼角钢角梁、钢椽高空安装焊接，每层单个翼角结

构重量达10t,

在屋盖曲线变化及出挑和升起不仅要表现

建筑形式，而且要保证整体结构的安全。·

难

，栓高接空工焊艺接及量定大位质、

。、

安装校正是结构体系安全可靠的重要保证。·4

)柱头及檐口屋盖仿古部分采用钢结构与斗拱木构件

组合构架施工工艺，在国内同行业中没有成熟的施工方法

,必须满足构件的可靠连接和建筑形制艺术的要求。·5

)钢构件表面防腐、防火处理后，在其基层采用仿古

地仗油漆装饰，符合功能和艺术两方面的需求。湖业工業大学`构制高量控要求测量接、大焊度量、装质吊件的制3)钢构·

1.5泾川大云寺舍利塔与雷锋新

塔建筑构造和施工工艺的区别●

同属于钢结构框架-支撑体系

的仿古楼阁式塔，均采用飞檐、斗拱、平座、栏杆的建筑形式。

但在建筑构造和施工工艺方面有

着明显的区别：塔身的建筑构造

上，泾川大云寺舍利塔采用圆柱

,上下柱“承插”内收，钢角梁

、钢椽、钢檩与钢支撑构成三角

结构体系，钢构件既是受力构件

;,又是装饰构件，形成建筑和结

构的共同结合；斗拱、枋等仿古

构件采用木构件与钢结构组合连

接的方法施工。雷峰新塔采用箱

型柱，折线型倾斜内收，柱、斗

拱、枋等仿古构件采用铜制外包

,、使主体钢结构框架与仿古装饰

成为有效的两大部分。湖业工業大学·二、技术项目研究的方法及技术研究线路技术项目研究体系分为两部分：理论体系和施工体系，以六项

关键性技术为切入点，理论体系一方面以设计研究为载体，采用行

业软件PK

PM

及Maidas对该主体结构及“承插”节点、钢挑檐等关键部位进行分析设计，还采用大型通用有限元程序ANSYS

对其进行

了地震谱分析及弹塑性时程分析，模拟本结构及结构中的钢柱、梁

构件的力学行为，以了解并把握结构在地震时结构反应的全过程，

找出结构的薄弱部位及薄弱的构件，针对性地指导施工；另一方面

采用工程类比法，收集古代建筑和现代同类型仿古建筑中相关的技

术资料，分析构造或技术工艺中的理论机理，为方案的制定提供依

据。施工体系中以设计图纸和理论机理为基础，采取施工图深化设计，放大样，模拟实验，模拟1:1实体模型等手段，最终确定出科

学的施工工艺流程，并对过程实施进行有效控制，该项技术完成后

对研究产生的技术、经济及社会效益总结分析，得出该项技术研究

的结论，同时分析出该项技术存在的问题及日后改进的思路。湖业工業大学·三、主体钢结构弹塑性动力与节点的力学行为分析舍利塔建筑上的逐层内收造成了结构上、下层柱轴线的错位，

使得钢结构梁、柱节点连接形式复杂，若不能很好设计节点转换，

则会使得整个结构的传力路径不象普通结构那样简单明了，致使结构在地震等随机动载作用下引起局部异常反应，使结构构件发生破坏而引起整个结构的破坏。因此对节点进行了专门的研究与设计，设计与施工紧密配合，完成了节点建造的技术攻关。另一方面，仿

唐塔建筑中的一大特点就是有较大的翼角及挑檐，本结构中老角梁悬挑长度9.5米，钢翼角椽悬挑长度达6.8米，造成外挑的竖向刚度

相对较弱的薄弱环节，因此应对其在竖向地震作用下的动力响应问题作出研究。湖业工業大学·响应谱分析，依据现行抗震规范及本工程的场地特点，进行了反应谱值的计算，计算结果显示整个结构最大变

形为35mm远小于PKPM的63

mm,

说明结构刚度设计安湖业工業大学全。·时程分析，在最大地震加速度下结构的变形图，结构最大的位移出现在结构顶部，最大为102.229mm

.最大偏

移角度为0.00114—0.00

2之间，该时该楼层的瞬时最大

剪力出现在地上一层为4228

KN。湖业工業大学·节点力学行为分析，根据计算得到的等效应力云图，由

图可知由于简化的原因，最大的应力出现在最低点的固

定端，最大应力超过了钢的屈服极限，说明最大应力处

已经进入塑性。湖业工業大学·四、研究的六项关键性技术·

4.1塔式结构层间钢柱“内收承插”节点控制技术●

工程中钢管柱为中600×30、中600×25、中600×20焊接直缝钢管，材质Q345C,主体结构采用上下层钢柱承插，在每个明层产生向内收缩，从而形成

塔式结构，承插钢柱共计96根，每根钢柱约6.5吨。钢管柱“承插内收”施工

工艺就是上柱和下柱通过牛腿组成了钢柱承插，牛腿上方相对于下方向内产生

位移，受力合理传递。由于该节点处是上下钢管互相承插，并通过牛腿将上下

钢管柱、周边框架梁连接成整体结构。钢管承插柱节点组对、吊装，承插柱轴

线控制，以及多个框架梁连接节点板的标高、方位控制，施工的关键控制点，

同时也是施工中的技术难点。承插钢柱示意图

牛腿示意图湖业工業大学·

4.2钢—木组合斗拱结构构架

创新施工技术·

舍利塔外檐柱头斗棋构造与我

国现存最久的唐代木结构建筑

山西五台山佛光寺大殿基本相

同，外檐柱头斗拱采用七铺作

双抄双下昂的形式，也采用木

结构，斗拱用材硕大雄浑，用

材宽275

mm,

一攒柱头科斗棋的重量约20

KN;

木斗拱与钢

结构采用组合连接的方法，钢

结构施工时在外檐柱头位置做

φ245

mm直径钢斜撑、通过300mm×300

mm截面的钢挑檐檩形成飞檐骨架，斜撑下部焊接φ16m

m螺杆与木斗棋连接固定

,由钢斜撑、钢檐檩与柱组成

的三角支撑承托上部屋面飞檐

的荷载。湖业工業大学接图·经过对舍利塔工程钢—木组合结构构架的建筑构造和结

构受力状态分析研究，确定了以下技术性能指标：·(1)柱头斗拱处钢斜撑、钢檐檩、钢椽与柱组成的空间三

角支撑体系，结构受力的安全性、耐久性和整体的稳定

性在理论状态分析中的科学合理性。·(2)三角支撑体系与斗拱木构件连接在实际操作中位置的

控制，保证连接的合理与牢固。·(3)对斗棋节点部位的细部尺寸深化设计，准确表现唐代

斗拱的构造形制。·(4)完善建筑构造，将外露的钢结构或节点经过修饰处理

后，完整地体现古建筑风貌。·(5)探索仿古建筑钢-木组合结构的施工方法，为传统建

筑的发展取得宝贵的经验。湖业工業大学·

4.3超长悬挑钢椽飞檐结构安全与

施工控制技术·

舍利塔七层飞檐出挑椽子，椽及连

檐都采用口300

×150

×8

mm的矩

型钢管，材质为Q345

B

。一～七层

悬挑钢椽最长的是11.7m,最短的

是7.6m;

挑出托檐檩最长6.8m

,最短2.7m;

每层最多356根，最少

212根。钢管椽前端支点在挑檐檩处，椽身两侧面用加劲板与挑檐檩

连接固定，后尾插口焊接于主体框

架钢梁伸出连接板，而柱身部分焊

接于柱承插节点下翼缘板。钢椽承

托屋面木基层和瓦层的荷载，设计

荷载5KN

/m²,施工必须保证屋面

的受力安全和整体的稳定性。同时

,钢椽代替古建筑中的木椽，也起

到装饰的作用，因此，椽身位置的

排列，钢椽吊装的次序，以及椽头

的真线度，椽档间距的控制等工艺

要点是技术保证的关键点。湖业工業大学·

4.4仿唐屋面翼角钢结构构架综合

技

术·

工程的翼角结构由钢角梁、椽、连檐及木望板构成，

一～七层飞檐翼

角每层四个角，共计28个翼角，椽及连檐都采用□300×150×8mm

的矩形钢管，

材质为Q345B,钢椽在挑檐檩外出挑最长6.74

m,

最短2.68m;分之一角部翼角椽布置最多15根,最少13根；每个翼角钢构件自重平均100

KN。由于构造的特殊性，所有的钢椽后尾集中在三角形

尾部，支撑位置逐渐减少，钢椽也

不能采取木椽的连接固定方法。因

此，翼角构造是由钢椽的平出与起

翘构成的空间曲线，施工关键保证

结构受力的合理安全外，必须保证

28个翼角空中曲线一致，与仿古建筑形式的协调美现。三角连接翼角椽后尾连接图湖业工業大学翼角椽平面布置图m●·

4.5高层塔式钢结构施工安全

与综合监测控制技术·

舍利塔工程主体钢结构钢构件

3万余件，原材材质、规格必

须符合设计及规范要求。为了

保证钢结构在安装过程中的稳

定性和对称性，减少误差，结

合建筑形状和构形式，需确定

出整体钢结构的安装原则和安

装流程。在整体结构安装前应

对标高、轴线可能产生的误差

进行预调值控制，现场试验后

测出收缩值。在安装焊接过程

中产生的误差采取合理的焊接

顺序和焊接工艺，以减少焊接

变形。采取合理的测量控制方

案，对钢构件的定位、测量控

制及安装校正进行严密的监测o湖业工業大学·4.6钢构件防火涂料表面一次成型仿古油漆工艺技术·舍利塔所有外露仿古木构件、钢构件表面采用仿古油漆工艺技术作装饰，油漆颜色一律采用唐代建筑的朱红，

与墙壁、芯屉的白色相组合，产生鲜艳悦目、简洁明快

的色彩美。其中，在钢构件防火涂料表面做仿古油漆工

艺是在钢构件超薄型或厚型防火涂层表面完成的，在国

内是一项新的课题，也没有成熟的经验可以借鉴。·综合防火涂料的材料性能、工艺原理，古建筑油漆工艺

原理，以及油漆工艺耐久性的分析，钢构件防火涂料表

面一次成型仿古油漆技术研究的主要内容有：1、防火

涂料基层做仿古油漆工艺的合理性；

2、

地仗工艺及材

料的确定；

3、防火涂料材料与地仗材料的融合性；4、

油漆工艺与地仗工艺的融合；5、油漆耐久性的保护措

施。湖业工業大学·

五、技术研究效益分析和技术成果·泾川大云寺博物馆舍利塔工程于2007年8月8日开工，主体钢结构2008年3月1日封顶，

2009年9月6日竣工。·

5.1效益分析·工程通过技术应用和技术创新，采取二次深化和

优化设计，合理配料，1:1模拟试验等技术措施，钢材损耗率降低到3%,节约钢材110

t;

木

材节约率在20

%

,

节

约

木

材20

0m3;

工效可提高30

%。钢结构与仿古木构件的组合施工，可大

量节约木材资源。而今，钢材资源丰富，钢结构

施工技术日趋成熟，且具有施工速度快、耐久性强等优点，且钢材为环保材料，可回收再利用。湖业工業大学·5.2技术成果·钢—木组合结构仿古建筑综合成套施工技术在研究的过程中，进行了大量的理论分析和技术研究，在方案的确

定和实施过程中积累了丰富的技术数据和资料。甘肃土

木工程科学研究院对钢结构工程的工程质量全程跟踪进

行检测。·2009年荣获甘肃省科技示范工程工程，专家委员会一致

认为该工程的创新技术达到了国内领先水平。2010年荣获甘肃省建设科技进步一等奖，甘肃省工程质量“飞天

奖

”。·四项技术经过科技查新，结论均为尚未见与本技术相同

的公开文献报道。并通过省级科技成