中原木結(jié)構(gòu)和磚石結(jié)構(gòu)古建筑抗震性能分析

楊芝璐　金蕾蕾

摘 要：近年來，全球范圍內(nèi)地震頻發(fā)，中國自汶川地震以來，發(fā)生6.0級以上地震共有17起，頻繁的地震災(zāi)害需要我們快速發(fā)展建筑的防震抗震技術(shù)。而現(xiàn)存的許多年代久遠的古建筑，歷經(jīng)多次地震考驗卻屹立至今，說明其具有良好的抗震能力。本文通過對中原古建筑防震技術(shù)的分析以及對古代勞動人民在建筑中表現(xiàn)的抗震防震的思想智慧的研究，為現(xiàn)存古建筑保護、維修、加固提供相應(yīng)的理論依據(jù)和技術(shù)參考，對現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)的抗震研究也有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：古建筑；抗震；木結(jié)構(gòu)；磚石結(jié)構(gòu)

我國地震分布十分廣泛，地震震源淺、強度大，建筑抗震性能差，因此對抗震防震技術(shù)的研究迫在眉睫。而中原地區(qū)——河南僅今年發(fā)生了3次3級以上的地震，雖然河南地震震級不大、頻率不高，但河南地質(zhì)比較復(fù)雜，北部在華北平原地震帶上，與1976年發(fā)生過唐山大地震的唐山處于同一地震帶；西部在汾渭地震帶上，與1556年發(fā)生強烈地震的陜西華縣處于同一地震帶。因此河南受周邊省份地震影響多，防震措施必不可少。

1 古建筑抗震歷史

在我國古代，人們已經(jīng)積累了許多在當(dāng)時甚至現(xiàn)代都很先進的地震防御、預(yù)報技術(shù)和知識。比如，早在公元132年，東漢的張衡就發(fā)明了世界上第一架測驗地震的儀器——候風(fēng)地動儀。又如在《中國地震年表》中記載，我國歷代大型木結(jié)構(gòu)古建筑的抗震性能最好，常常是“墻倒屋不塌”或“柱腳小位移，而整體結(jié)構(gòu)無恙”。再如被列為世界文化遺產(chǎn)的遼代應(yīng)縣木塔，由遼代到明代歷經(jīng)了7次大震仍崎然壁立，在1976年唐山7.8級地震，應(yīng)縣烈度9度，塔仍然安全。還如建于遼代的薊縣獨樂寺觀音閣，史料中記載康熙十八年三河平谷曾經(jīng)發(fā)生了一次大地震，當(dāng)時薊縣城內(nèi)“官廊民舍無一存”，觀音閣“獨不圮”。由此可見，中國古建筑強大的抗震性能。

2 中原古建筑木結(jié)構(gòu)——奉仙觀玉皇殿抗震性能分析

中原地區(qū)的木結(jié)構(gòu)古建筑主要有河南濟源奉仙觀三清殿、玉皇殿、臨汝風(fēng)穴寺中佛殿等，木結(jié)構(gòu)的防震技術(shù)十分獨特，下面就以濟源奉仙觀玉皇殿為例來分析其抗震技術(shù)。

2.1 濟源奉仙觀玉皇殿簡介

玉皇殿位于奉仙觀中軸線上，始建于元代，后被毀，現(xiàn)存建筑為明代中早期所建。該建筑為面闊三間（10.1米），進深兩間（5.9米），單檐懸山灰瓦頂琉璃剪邊屋面。臺基高40厘米，為青磚、毛石、水泥磚混砌，系后人臨時所為，比較粗糙。前檐明間置兩根小八角石柱，有柱升起和柱側(cè)腳，余為木柱，均包砌在墻內(nèi)。

2.2 玉皇殿抗震機理分析

玉皇殿的建筑平、立面布置規(guī)則、對稱，質(zhì)量和剛度變化均勻。建筑物的體型規(guī)則、對稱，不僅可以減輕結(jié)構(gòu)的地震扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，而且結(jié)構(gòu)各部分的振動基本協(xié)調(diào)一致，容易估計其地震反應(yīng)，便于采取抗震構(gòu)造措施和進行細部處理，從而有利于抗震。建筑物的質(zhì)量和剛度變化均勻，使結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心和剛度中心相一致，可減小結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)，否則結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)反應(yīng)將使遠離剛度中心的構(gòu)件產(chǎn)生嚴重的破壞。

玉皇殿的前檐明間置兩根小八角石柱有柱側(cè)腳，柱子側(cè)腳可減小水平地震力作用。側(cè)腳，即令外檐柱略傾斜放置，檐柱頂闌額及內(nèi)柱頂均平，由于外檐柱斜長大于內(nèi)柱高，在水平地震作用下闌額側(cè)移時，側(cè)腳柱把一部分地震力轉(zhuǎn)化為軸向壓力，從而在一定程度上減小地震作用。同時，壓力變大的一側(cè)柱柱頭外傾，柱身挺起，梁架此時被置于一個傾斜面上，重力沿斜面分力成為恢復(fù)力的一部分，始終迫使梁架回到穩(wěn)定位置。柱架側(cè)擺時會使前方柱軸壓力增大，側(cè)腳會使前方柱柱頂升高，避免柱子因軸力增大被壓縮變短而造成梁架向前方傾斜而是梁架容易滑落。

榫卯節(jié)點和斗拱可產(chǎn)生減震耗能作用。榫卯節(jié)點是中國古建筑木結(jié)構(gòu)梁與柱連接的特有方式，即梁端做成榫頭形式，插入柱頭預(yù)留的卯口中。地震作用下，榫頭和卯口之間的相對摩擦和擠壓可耗散地震能量。斗拱擱置于柱頭上具有承上啟下、傳導(dǎo)屋架荷載的功能，屋面上的重量由上部梁架傳遞到斗拱，再由斗拱傳遞到柱子上，最后傳給基礎(chǔ)。斗拱組成的鋪作層相當(dāng)于一個彈性支座，具有一定的彈性作用，鋪作層的層間滑移及其轉(zhuǎn)動可以消耗能量，可減少水平地震作用對建筑結(jié)構(gòu)的破壞。

3 中原磚石結(jié)構(gòu)古建筑——開封鐵塔抗震性能分析

3.2.1開封鐵塔簡介

開封鐵塔位于河南省開封市北門大街鐵塔公園的東半隅，是園內(nèi)重要的文物，也是主要的景點。始建于公元1049年（北宋皇祐元年），是1961年中國首批公布的國家重點保護文物之一，素有“天下第一塔”之稱。在900多年中，歷經(jīng)了37次地震，18次大風(fēng)，15次水患，文革時期曾被刨過，而巍然屹立。

3.2.2開封鐵塔的結(jié)構(gòu)特點

開封鐵塔基本上是仿木樓閣式磚石塔建筑，鐵塔高55.88米，八角十三層，每層都有輕微的收分，內(nèi)部有蹬道盤旋可登頂。

3.2.3開封鐵塔的抗震性能

開封鐵塔之所以歷經(jīng)多次地震而不倒，與其結(jié)構(gòu)的以下幾個優(yōu)勢有關(guān)：（1）塔址選擇好，地基堅固。開封鐵塔的塔高有55.88米，加之其砌筑磚石的容重大，作用在地基上的荷載很大，所以堅固的地基基礎(chǔ)是鐵塔百年來屹立不倒的重要保證[6]。（2）鐵塔是多角形的，平面規(guī)則對稱。從立面上看，塔身截面采用從下而上逐層遞減的收分技術(shù)，塔身成自然緩和的錐體形，從結(jié)構(gòu)上增加了鐵塔的穩(wěn)定性。鐵塔這種規(guī)則穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)特點不僅可以減少地震的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，而且層間抗力與地震剪力相協(xié)調(diào)，避免了中下部形成薄弱層的不利情況。（3）鐵塔的整體性能良好。鐵塔的墻壁較厚，具備較強的樓層約束，類似現(xiàn)代高層建筑中的筒體結(jié)構(gòu)，具有良好的抗震能力。

4 結(jié)束語

本文以分析古建筑抗震性能為主，介紹古建筑的抗震歷史，并以河南濟源奉仙觀玉皇殿、開封鐵塔為例研究分析了古建筑中木結(jié)構(gòu)和磚石結(jié)構(gòu)的抗震性能。從這些古建筑的抗震性能分析中，挖掘其結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，再進行深度研究，對增強現(xiàn)代建筑的抗震性能有一定的參考作用。

參考文獻

[1]盤錦章.中國木結(jié)構(gòu)古建筑抗震機理分析

[2]中國古建筑的抗震技術(shù)·每日商報

[3]周乾.閆維明.紀(jì)金豹.古建筑木結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造評估研究《工程抗震與加固改造》.2011年8月第33卷第4期

[4]李小午.中國古建筑結(jié)構(gòu)（抗震）性能分析-河南天盛寺大雄寶殿結(jié)構(gòu)側(cè)腳研究

[5]張鵬程.中國古代木構(gòu)建筑結(jié)構(gòu)及其抗震發(fā)展研究

[6]岳建偉、王東濤.“開封鐵塔”的動力特性研究