空心、工字型柱梁：揭秘省铜料背后的力学

2023-10-18 理论教育版权反馈

【摘要】：铜殿中，板状的构件因为本身厚度有限，无疑是实心的。另一处有可能观察构件内部情况的是泰山天仙金阙铜殿。表11-2泰山铜殿构件空心或坑洞情况表图11- 20 近代早期铸铁工字梁截面单位：英寸对这个现象应当一分为二地看：它首先是偷省用料的做法，可能与泰山金殿铸造时的天灾荒年、经费紧张有关。

前文在讨论构件的铸造工艺时，提到有外范和内范。实际上，如果铸件是实心的话，并不需要内范。铜塔、铁塔的塔身都是中空的四面、六面或八面筒体，是需要内范、外范的。铜殿中，板状的构件因为本身厚度有限，无疑是实心的。但其他柱、梁、斗栱等铸件是空心还是实心的，或者其截面是其他什么形状的，值得讨论——这既在经济上关系到铜殿的用铜量，又关系到铜殿的结构。

在铜殿结构完好的情况下，如果不将铜殿落架，仅凭肉眼很难观察到构件的内部情况。第四章谈到，巴伯（Baber）在《中国西部旅行与研究》中记录了峨眉山铜殿废墟的情况。根据他的描述，铜殿的柱和梁（枋）都是空心的（图11-19），壁厚约1英寸（25.4毫米）：

“柱子有9英尺[2.74米]长，直径8英寸[20.3厘米]，壁厚不到1英寸[2.5厘米]，显然是空心的。我能找到的唯一一根完整的梁是一个15英尺[4.57米]长，9英寸[22.9厘米]宽，4英寸[10.2厘米]厚的空心梁，壁厚与柱子差不多[约2.5厘米]。”^[33]

这应当可以代表一部分铜殿构件的情况。

另一处有可能观察构件内部情况的是泰山天仙金阙铜殿。可观察到以下现象：

首先，因为曾经至少两次被拆装搬运，其榫卯连接处结合不甚紧密，可用细铁丝从柱顶或柱身上的卯口探入，检验其是否为中空。被检验的角柱，细铁丝可深入柱身400～560毫米；蜀柱可深入柱身200毫米。这说明其至少是部分中空的，具体结果和示意见表11-2。

第二，泰山铜殿的许多梁、枋构件并不是全实心的，也不是简单的空管状，而是在上皮形成多处大面积坑洞。这种坑洞面积大、数量多，应当不是简单的铸造质量问题，而是有意为之。坑洞内曾用灰泥填补，以掩人耳目，现在许多已经暴露出来。坑洞的边缘并不规整，说明可能还不是原本的外缘，原状可能比现在看到的还大。这种情况存在于多个构件中，具体位置见表11-2。

第三，泰山铜殿的抱框是不承重的构件，在省料方面似乎更明目张胆，能省则省，而且其空出的槽边缘规整，很明显是故意为之，并曾用灰泥填补（表11-2）。

表11-2　泰山铜殿构件空心或坑洞情况表

pagenumber_ebook=374,pagenumber_book=362 (www.chuimin.cn)

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图11- 20 近代早期铸铁工字梁截面

单位：英寸

对这个现象应当一分为二地看：它首先是偷省用料的做法，可能与泰山金殿铸造时的天灾荒年、经费紧张有关。另一方面也应看到：抹角梁、趴梁，因上承童柱及上檐荷载，受剪力相当大，其上皮的空洞，竟可以达到40毫米×70毫米×500 毫米，且每个抹角梁都有空洞。采步金、趴梁、平板枋等构件上均有。以这样的构件，要应付皇家的验收过关，且铜殿不能建好后数十年就塌了。当时的工匠敢于冒这个险，勇气是一方面，更重要的是，这是否也说明他们的工程经验已经达到可以粗略估算结构，以节省用料的水平了？抹角梁、趴梁都是上皮受压、下皮受拉，而铜合金的抗压强度（硬度HB）与抗拉强度（σb）关系的经验公式（近似）为^[34]：

σb= C·HB

其中，未经热处理的铜C = 0.55；黄铜C = 0.35

可见，使铜合金受压破坏的值是受拉破坏的大约2～3倍。铸铁的这个值是5倍，因此近代铸铁工字梁的截面是倒T形的（图11-20）^[35]。

这些省了料的抹角梁和趴梁，从截面来看，上皮省料、下皮完整，与近代铸铁工字钢倒T形的形制是相通的。虽然它们并不能严格符合现代结构力学对构件应力分布形态的要求，但从效果来看，泰山铜殿至今屹立400年不倒，其结构似乎并没有呈现出不均匀沉降或应力集中等危险状态。这至少可以说，在泰山铜殿这一个案例上，当时工匠的尝试是成功的。

空心、工字型柱梁：揭秘省铜料背后的力学

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