木結(jié)構(gòu)古建筑震害分析與抗震性能評估思路

　　關(guān)鍵詞：木結(jié)構(gòu)；古建筑；震害；性能；評估；思路

　　1前言

　　我國是一個多地震國家，歷史上曾發(fā)生過多次強烈的地震，為了防止和減輕地震災(zāi)害，我國設(shè)了12個抗震防災(zāi)重點防御區(qū)，77個抗震重點城市，這些城市不少都是歷史文化古城，有大量的木結(jié)構(gòu)古建筑存在，因此對木結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能評估和保護措施研究十分重要。

　　現(xiàn)在，世界進入了一個新的地震活躍期，5.12汶川大地震中許多古建筑的破壞，使對木結(jié)構(gòu)古建筑特別是作為文物的這類古建筑的抗震研究與保護愈顯迫切。

　　2震害與分析

　　和鐵釘、鐵匝連接的近代木結(jié)構(gòu)不同，木結(jié)構(gòu)古建筑作為一種梁柱結(jié)構(gòu)體系，具有以下顯著特點：一是梁柱等構(gòu)件之間由榫卯節(jié)點連接；二是檐下柱端多用斗拱連接，斗拱具有結(jié)構(gòu)和裝飾的雙重功能；三是柱與基礎(chǔ)的連接或采用管腳榫，或基礎(chǔ)直接擱置于石質(zhì)的柱頂石表面上。

　　一般來說，木結(jié)構(gòu)古建筑由于木材的彈性以及上述的特點而具有較高的抗震能力，但其中也有不少該類古建筑在地震中呈現(xiàn)出不同程度的損壞。以下為自上世紀(jì)70年代以來發(fā)生的地震中，木結(jié)構(gòu)古建筑在不同強度地震作用下的震害實例分析。

　　2.1結(jié)構(gòu)平面布局與震害。5.12汶川大地震中，青城山道教建筑群中的祖師殿真武宮，其平面比較復(fù)雜，地震時產(chǎn)生了一定的扭轉(zhuǎn)，柱子和柱頂石之間產(chǎn)生了較大的滑移，各柱腳的滑移大小不一。距離正門較近的柱子上端向右傾斜，較遠(yuǎn)的柱子上端向左傾斜[2]。在唐山地震以及20世紀(jì)70年代以來木結(jié)構(gòu)古建筑的其他震害記錄中，平面布局引起的震害記錄并不多，其原因是木結(jié)構(gòu)古建筑平面一般比較規(guī)則，很少建造平面復(fù)雜的建筑，主要采用長寬比小于2∶1的矩形。規(guī)則的平面形態(tài)和結(jié)構(gòu)布局有利于抗震。傳統(tǒng)建筑往往是中間的一間(當(dāng)心間)最大，兩側(cè)的次間、梢間等依次縮小面寬，這樣的設(shè)計非常有利于抵抗地震帶來的扭矩[3]。

　　2.2木構(gòu)架震害。唐山地震中，地震烈度高于9度的唐山市的劉家祠堂（清光緒年間重修），面寬三間，進深五架，前后出廊，檐柱為石柱，其余柱為木柱。唐山地震后，周圍各類建筑倒塌殆盡，該建筑木構(gòu)架未倒[1]。唐山地震中，地震烈度為9度的天津市寧河縣的天尊閣（三重檐灰瓦歇山頂），木結(jié)構(gòu)，前出廊，面寬五間，進深四間，震后木梁架基本完好[1]。地震烈度為9度的海城地區(qū)的三座清代木構(gòu)架建筑文昌閣、三學(xué)寺和關(guān)帝廟，海城地震后，木構(gòu)架基本完好[1]。通海地區(qū)的聚奎閣，地震烈度為9度的通海地震后，受損輕微，木構(gòu)架完好[1]。地震烈度為8度的云南瀾滄-耿馬地震中，耿馬地區(qū)的傣族佛教寺廟緬寺主體木構(gòu)架保持基本完好[1]。5.12汶川大地震中，青城山旅游索道上站新修的穿斗式木結(jié)構(gòu)建筑，整體完好[2]。5.12汶川大地震中，根據(jù)國家文物局震情通報，甘肅省天水市秦州區(qū)玉泉觀玉皇殿玉皇閣整體傾斜；甘肅省天水市國家重點文物保護單位后街清真寺大殿向西南傾斜，前后殿交接處整排柱向西南傾斜。所有實例都沒有倒塌的例子，體現(xiàn)出木結(jié)構(gòu)古建筑良好的抗倒塌性能。

　　木結(jié)構(gòu)古建筑的抗倒塌性能是由其結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點所決定的。首先中國古代建筑的臺基是用三七灰土等夯筑成的整體式基礎(chǔ)，能夠有效地避免建筑的基礎(chǔ)被剪切破壞，減少地震波對上部建筑的沖擊[3]。另外大屋頂?shù)闹亓考拜^強的整體性直接導(dǎo)致了地震作用下結(jié)構(gòu)可能整體移動但不會破壞。北方地區(qū)大量的木結(jié)構(gòu)古建筑采用抬梁式木構(gòu)架，其結(jié)構(gòu)的主要特點之一是榫卯技術(shù)的應(yīng)用，成熟的榫卯技術(shù)和隨梁、金枋形成圍合圈梁式結(jié)構(gòu)不僅使木構(gòu)架具有可靠的整體性，而且榫卯結(jié)合能夠承擔(dān)轉(zhuǎn)角彎矩，但又要產(chǎn)生微小角變位，吸收地震能量，提高了整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。

　　此外,斗拱技術(shù)的應(yīng)用使古建筑上下架構(gòu)間形成一層由縱橫構(gòu)件、方型升斗組成的彈性結(jié)構(gòu)層，在一定程度上起到了類似減震器的功能，在高烈度的地震作用下，當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形時，斗拱群起到了有效的耗散變形能量的作用，這就在很大程度上增強了結(jié)構(gòu)的抗震能力[1]。

　　還有如柱頂、柱腳分別與闌額、地袱以及其他的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接，使柱架層形成一個閉合的構(gòu)架系統(tǒng)，增強了建筑構(gòu)架的整體性。梁架系統(tǒng)通過額枋、柱頭枋、蜀柱、攀間、搭牽、梁、檁、椽等諸多構(gòu)件強化了聯(lián)系，顯著增強了結(jié)構(gòu)的整體性；在高大的樓閣中，如獨樂寺觀音閣、應(yīng)縣木塔等，都在暗層中設(shè)有斜撐，大大強化了構(gòu)架對水平?jīng)_擊波反復(fù)作用的抵抗能力；在外檐柱間設(shè)置較厚的墻體，起到現(xiàn)代建筑中“剪力墻”的作用，諸如此類，都展示出古建筑木結(jié)構(gòu)比較好的抗震性能[3]。

　　2.3圍護墻震害。在唐山地震中，地震烈度高于9度的唐山市的劉家祠堂，主要破壞為圍護墻倒塌。地震烈度為9度的天津市寧河縣的天尊閣，2層北圍護墻部分震塌，3層圍護墻大部分倒塌；地震烈度為9度的海城地區(qū)的三座清代木構(gòu)架建筑文昌閣、三學(xué)寺和關(guān)帝廟，海城地震后，圍護墻開裂。。地震加速度峰值為0.2g（8度），天津市的元泰安3年(1326年)建造的天后宮大殿，單檐廡殿頂木結(jié)構(gòu)，西北角磚墻倒塌[1]。地震加速度峰值為0.05g（6度），圍護墻破壞實例是北京德勝門箭樓（明正統(tǒng)元年建），九檁歇山頂木結(jié)構(gòu)，面寬七間，進深二間，唐山震后，頂層檐墻和山墻大部分震塌[1]。在5.12汶川大地震中，甘肅省文物古建筑（木結(jié)構(gòu)）武威文廟尊經(jīng)閣、大成殿、桂籍殿墻體出現(xiàn)裂縫，哈達(dá)鋪紅軍長征舊址的關(guān)帝廟墻體出現(xiàn)裂縫，戲樓原有裂縫擴大；甘肅省天水市國家重點文物保護單位后街清真寺大殿墻體開裂。天水古民居建筑（木結(jié)構(gòu)）在5.12汶川大地震中，圍護墻局部裂縫或在柱子位置有豎直裂縫，或圍護墻與木柱脫開，出現(xiàn)很寬或比較寬的豎直裂縫，如甘肅省文物保護單位的石作瑞宅院（照片一）；有的圍護山墻甚至被甩出而破壞（如甘肅省文物保護單位的連騰霄宅院主樓西山墻）。

　　古建筑的土圍護墻，其結(jié)構(gòu)性較差，特別是墻與柱沒有聯(lián)結(jié)措施，墻在轉(zhuǎn)角處互相也沒有拉結(jié)措施，在動荷載作用下極易出現(xiàn)墻與墻之間開裂以及墻與柱之間拉開，故在中、低強度地震作用下普遍發(fā)生開裂、傾斜以至倒塌的震害。

　　2.4木構(gòu)架榫卯震害。榫卯是木構(gòu)架連接的主要措施，研究其震害十分必要。唐山地震時，地震烈度高于9度的唐山市的劉家祠堂，山墻中柱與梁交接處榫卯拔出2cm~3cm。地震烈度為9度的天津市寧河縣的天尊閣，通柱與五架梁間有裂縫。地震加速度峰值為0.2g（8度），天津市元泰安3年(1326年)建造的天后宮大殿，單檐廡殿頂木結(jié)構(gòu)，南面大額枋在柱頭上拔榫，殿后尾抱廈明、次間檐檁拔開[1]。地震加速度峰值為0.05g（6度），頤和園，原金朝行宮，光緒10年、29年重修建，其仁壽殿外檐穿插枋有拔榫現(xiàn)象，其大戲臺為3層歇山卷棚頂木結(jié)構(gòu)，震后金柱、檐柱間穿插枋有拔榫現(xiàn)象，個別斗拱壓裂變形。地震加速度峰值為0.05g（6度）情況下，北京德勝門箭樓（明正統(tǒng)元年建，康熙18年震毀，后重建），九檁歇山頂木結(jié)構(gòu)，面寬七間，進深二間，唐山震后，椽飛拔尾折斷；北京的隆福寺木梁架有拔榫現(xiàn)象[1]。5.12汶川大地震中，根據(jù)西南交通大學(xué)對青城山道教建筑（木結(jié)構(gòu)）群的調(diào)查，祖師殿真武宮有少數(shù)木柱在梁柱交叉節(jié)點附近有破損現(xiàn)象[2]。甘肅省文物古建筑（木結(jié)構(gòu)）在5.12汶川大地震中，武威文廟尊經(jīng)閣、大成殿、桂籍殿榫卯拔裂；天水市國家重點文物保護單位后街清真寺大殿部分梁架斷裂。造成以上破壞現(xiàn)象的主要原因是，榫卯結(jié)合雖然能夠承擔(dān)轉(zhuǎn)角彎矩，能產(chǎn)生微小角變位，但在較大的地震作用下，則產(chǎn)生過大的角變位，加之連接不強便造成榫卯拔裂等破壞。

　　2.5屋頂震害。這種破壞量大面寬，而且在小震情況下都比較普遍。主要表現(xiàn)為屋面系統(tǒng)的正脊、垂脊、戧脊破壞、震塌或跌落,脊獸、吻獸等震壞、跌落。地震加速度峰值為0.2g（8度），天津市，遭遇唐山地震后的情況，明正統(tǒng)元年(1436年)建造的孔廟大成殿，單檐歇山頂木結(jié)構(gòu)，震后西側(cè)垂脊震塌，西鴟吻震落；光緒年間建造的廣東會館門廳，布瓦硬山頂前后出廊木結(jié)構(gòu)，震后東垂脊坍落，東吻獸震倒[1]。地震加速度峰值為0.1g（7度），位于唐山市遵化縣的清東陵，始建于康熙2年(1663年)，其孝陵的碑樓，木結(jié)構(gòu)歇山琉璃瓦頂，北坡垂脊、戧脊毀壞，明樓為木結(jié)構(gòu)重檐琉璃瓦頂，上層正脊、垂脊、戧脊震塌。其隆思殿為木結(jié)構(gòu)重檐琉璃瓦頂，下層?xùn)|北角戧脊震落。其裕陵的明樓，木結(jié)構(gòu)重檐琉璃瓦頂，上檐正脊及東正吻震壞，下檐西北角戧脊震環(huán)，部分脊獸、跑獸跌落。其定西陵的明樓，木結(jié)構(gòu)重檐琉璃瓦頂，后坡垂脊震壞[1]。地震加速度峰值為0.05g（6度）的情況，遭遇唐山地震后，北京市的北海永安寺法輪殿，西北角山脊坍塌，垂獸跌落；北海善因殿，下檐琉璃檐頭部分震塌，角梁塌落；正陽門的西正脊大吻震落[1]。甘肅省文物古建筑（木結(jié)構(gòu)）在5.12汶川大地震中，屋脊破壞實例之一是天水秦州區(qū)玉泉觀玉皇殿玉皇閣東配殿正脊斷裂；實例之二是天水古民居建筑有一些屋脊被震塌，正脊和望獸被震落（照片二）。

　　出現(xiàn)這種破壞的原因在于木結(jié)構(gòu)古建筑的正脊座落于脊瓜柱支撐的脊枋上，由于脊瓜柱處于懸臂狀態(tài)，而角梁、由戧與金檁、檐檁、趴梁的連接相對較薄弱，致使屋面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)整體性相對主體木構(gòu)架明顯較差，加之古建筑的屋面荷載較一般木結(jié)構(gòu)民房要高，使得其屋面系統(tǒng)的抗震能力相對較低，在低強度地震作用時即有可能在較弱的正脊、垂脊、戧脊等部位出現(xiàn)震害。

　　2.6木柱震害。唐山地震時，地震烈度為9度的海城地區(qū)的三座清代木構(gòu)架建筑文昌閣、三學(xué)寺和關(guān)帝廟，海城地震后，出現(xiàn)柱腳位移。云南瀾滄-耿馬地震中，地震加速度峰值為0.2g（8度）的耿馬地區(qū)的傣族佛教寺廟緬寺一根廊柱由柱底石槽中脫出，側(cè)移50cm[1]。地震加速度峰值為0.05g（6度）情況下，故宮（明永樂1420年建造）中重檐廡殿頂木結(jié)構(gòu)，面寬七間，進深三間的神武門城樓，城臺高10m，地面至樓頂總高31m，唐山地震后，后檐西半部檐柱普遍向西南移動，最大達(dá)4cm。其交泰殿為單檐四角攢尖方形木結(jié)構(gòu)，震后4根金柱柱腳出現(xiàn)位移，最大2cm[1]。5.12汶川大地震中，西南交通大學(xué)對青城山道教建筑（木結(jié)構(gòu)）群調(diào)查了單層木結(jié)構(gòu)古建筑15座，其中純陽殿為1936年修建，木柱嚴(yán)重傾斜、接頭破壞、木梁腐朽，已嚴(yán)重破壞。其余14座建筑中2座建筑為局部受損較重，中等破壞。5座建筑局部受損，輕微損壞，恢復(fù)后可以使用。7座建筑基本完好，可以使用[2]。

　　3木結(jié)構(gòu)古建筑抗震性能評估思路

　　3.1詳細(xì)鑒定評估法。其中主要有兩種方法，即法式勘查鑒定評估方法和殘損情況勘查鑒定評估方法。法式勘查鑒定評估方法應(yīng)對建筑物的時代特征結(jié)構(gòu)特征和構(gòu)造特征進行勘查鑒定評估；殘損情況勘查鑒定評估方法，應(yīng)對建筑物的承重結(jié)構(gòu)及其相關(guān)工程損壞殘缺程度與原因進行勘查鑒定評估，即用結(jié)構(gòu)可靠性鑒定與抗震鑒定進行抗震性能鑒定，具體見中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《古建筑木結(jié)構(gòu)維護與加固技術(shù)規(guī)范GB50165——92》第四章的有關(guān)規(guī)定[4]。

　　3.2同類木結(jié)構(gòu)古建筑已有震害調(diào)研比較鑒定評估法。這種方法可以作為木結(jié)構(gòu)古建筑抗震性能的初步鑒定，從而作出宏觀鑒定結(jié)論，適合于快速鑒定用，但要建立在對結(jié)構(gòu)構(gòu)件殘損情況已經(jīng)明確的前提下。

　　3.3同類木結(jié)構(gòu)古建筑已有震害調(diào)研比較鑒定評估法要點

　　3.3.1評估基礎(chǔ)作法。是否用三七灰土等夯筑成整體式基礎(chǔ)的作法，這種作法能夠有效地避免建筑的基礎(chǔ)被剪切破壞，減少地震波對上部建筑的沖擊[3]。

　　3.3.2屋頂情況評估�？词欠翊笪蓓敿白銐虻闹亓亢洼^強的整體性。地震作用下，大屋頂及足夠的重量情況下，結(jié)構(gòu)可能整體移動但不會破壞。由于屋頂作法的不同，古民居建筑和大式廳堂式、殿堂式的抗震性能有所不同。

　　3.3.3查構(gòu)架類型。如果是抬梁式，看是否有出廊，出廊式比不出廊的抗震性能要好，即是否是由比較多的多余約束以保證形成超靜定結(jié)構(gòu)體系。廳堂式和殿堂式抗震性能也有所不同。穿斗式抗震性能普遍較好。

　　3.3.4查榫卯連接做法。成熟的榫卯技術(shù)和隨梁、金枋形成圍合圈梁式結(jié)構(gòu)不僅使木構(gòu)架具有可靠的整體性，其合理的節(jié)點構(gòu)造能提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能。一般邊排立柱拔榫脫出現(xiàn)象比較多，因此，立柱兩端的聯(lián)結(jié)措施要強。

　　3.3.5看平面布局和維護墻布置。一般的木結(jié)構(gòu)古建筑平面比較規(guī)則，一般不會發(fā)生扭轉(zhuǎn)。而如果平面比較復(fù)雜，地震時則產(chǎn)生了一定的扭轉(zhuǎn)。維護墻的布置應(yīng)該對稱均勻。

　　3.2.6工藝技術(shù)。一是柱腳與柱頂石的連接構(gòu)造，判斷是屬于嵌入基礎(chǔ)凹槽，或基礎(chǔ)直接擱置于石質(zhì)的柱頂石表面上，以便采取措施避免柱腳位移過大，適度的滑移有助于隔震。特別是要注意屋脊、獸頭、瓦片的固定技術(shù)等，是否符合抗震要求，以避免在中、低強度地震作用下的易損壞性。

　　參考文獻:

　　[1]李桂榮,郭恩棟,朱敏．中國古建筑抗震性能分析[J]．地震工程與工程振動，2004，（6）：68——69．

　　[2]趙世春，李力，王春華等．青城山宗教建筑結(jié)構(gòu)震害分析[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008，214．

　　[3]謝啟芳,趙鴻鐵,薛建陽,門進杰,王威．汶川地震中木結(jié)構(gòu)建筑震害分析與思考[J]．西安建筑科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，（10）：658．

　　[4]四川省建筑科學(xué)研究院．古建筑木結(jié)構(gòu)維護與加固技術(shù)規(guī)范GB50165——92[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1992，18——22．