磚石古塔震害機理分析及加固方案探討

鄭天天，李萌，雷克

（西安建筑科技大學土木工程學院西安710055）

磚石古塔震害機理分析及加固方案探討

鄭天天，李萌，雷克

（西安建筑科技大學土木工程學院西安710055）

5·12汶川地震對四川陜西等地的古塔建筑造成了較大的損壞，為了有效地保護古塔建筑這一寶貴的文化遺產，對汶川地震中四川及陜西關中地區部分磚石古塔的震害現象進行了歸納整理，對震害形成機理進行了分析。運用時程分析法，對陜西岐山太平寺塔進行了水平地震反應分析，并提出加固建議。

磚石古塔；震害調查；地震反應分析；加固方法建議

1 引言

我國古代建筑有著其獨特風格，在建筑藝術、施工技術、結構構造、材料使用等方面，有著很高的成就，甚至有的方面可以為現代各類建筑提供參考。我國古塔建筑歷史悠久，作為古代高層建筑的代表，從保存至今的磚石古塔在以往歷史地震經驗中看出，有著一定的抗震性能，但其中也存在著許多不足之處。

2008年5·12汶川地震后，震中及周邊地區建筑物受到嚴重破壞，磚石古塔亦未能幸免。對古塔震害進行總結，對震害機理進行分析，對受損古塔進行必要的加固與維修，無疑是非常重要的。

本文以四川及陜西關中地區部分磚石古塔在5·12地震后的震害調查為基礎，結合有限元時程分析法，以岐山太平寺塔為例，對其地震反應進行分析，探討了磚石古塔在地震中的破壞規律，對部分古塔提出了加固構想，以期為相關部門的文物保護工作提供參考依據。

2 震害調查及機理分析

汶川地震是我國自建國以來最為強烈的一次地震，四川地區古塔受災嚴重，陜西關中地區受到典型遠震的影響，其為數不多的古塔建筑在經歷地震破壞后均存在著不同程度的破壞，震害表現主要有以下幾點：

2.1 塔剎及塔頂部區域坍塌

塔剎位于塔頂端部位，一般質量比較集中，在地震作用下由于鞭鞘效應在塔剎部位會產生較大的地震力，因此塔剎在地震中被破壞現象比較普遍，四川峨眉山圣積寺銅塔塔剎在此次地震中被震落。

四川崇州街子鎮字庫塔在5·12地震后，第五層及塔剎部分都已倒塌，由于古塔結構材料均為脆性材料，隨著高度增加，塔體所受壓應力減小，其抗剪強度也隨之減小，更容易引起剪切破壞。在強烈地震作用下，塔頂會受到高振型的影響而發生豎向振動，在頂部也會出現拉應力區域，再由于粘結材料的抗拉強度很低，使得塔頂與其余部分很容易被拉開，加之剪切應力的共同作用，頂部區域容易產生裂縫，塔體在頂部區域的橫截面積較小，在地震的反復作用下，會使裂縫逐漸變大，甚至使整個頂部區域倒塌。

2.2 塔體發生傾斜

地震造成土壤的地基軟化，以及塔基周圍地質條件惡劣或常年積水使塔發生不均勻沉降，而這些地基支撐的不對稱性造成的塔體傾斜，對塔的整體穩定性影響比較大，因此古塔塔體傾斜情況比較普遍。大部分古塔都有著不同程度的傾斜，其中較為嚴重的岐山太平寺塔（圖1）塔身向東偏北4度方向傾斜約4度，塔頂偏離中心達1.87m。

2.3 塔身出現豎向裂縫

在古塔自重以及豎向地震作用下，塔體底部壓應力可能超過結構材料的抗壓強度，從而產生豎向裂縫，出現了垂直壓力破壞現象，使得塔身出現沿豎向的裂縫。

2.4 塔身出現斜裂縫及發生錯位現象

圖1 太平寺塔

圖2 太平寺塔一層墻體裂縫

圖3 大雁塔

在這次地震后，幾乎所有被調查古塔都產生了新的裂縫，對大雁塔（圖3）的內部破壞做了調查，發現其中五、六層樓梯間墻體出現明顯交叉裂縫（圖4）。與水平地震作用方向平行的墻體，受到地震剪力以及豎向重力荷載的共同作用，當該墻體內的剪切主拉應力超過墻體抗拉強度時，就會產生斜裂縫，由于地震反復的作用就會形成“X”型的交叉裂縫。此次調查岐山太平寺塔發現第一層東北角處沿斜向裂縫的錯位現象，錯位距離達3.6~ 6cm，如圖2所示。由于水平地震作用引起的斜裂縫，后來可能受到地震波扭轉效應影響使得塔身發生扭轉破壞從而產生錯位。

2.5 塔內沿豎向中軸線方向破壞

因建筑需要，一般古塔沿豎向中軸線方向會開有門洞或窗洞，這使得在該方向上抗剪能力大大削弱。據記載，陜西扶風法門寺塔，屢受地震災害，受1976年8月16日四川松潘地震影響，塔的西南一側出現豎向裂縫，致使在1981年8月的一場大雨中坍塌了一半，這是由于豎向裂縫導致塔倒塌的典型例子。涇陽縣崇文塔（圖5）五至九層之間沿中軸線方向劵洞上方拱頂處磚塊均有不同程度破壞，其中第五層劵洞上方已嚴重坍塌。

圖4 大雁塔內部樓梯間裂縫

圖5 崇文塔

圖6 中和軸方向的剪切力達到最大

今將塔體簡化成如圖6模型，視古塔為底端固定的懸臂梁構件，在水平地震作用下，由慣性水平力F形成的傾覆力矩Fh與一對豎向支撐力所產生的力偶矩Vb相抵抗，這對方向相反的支撐力在中和軸處的聯結墻梁以剪力形式傳遞，從而在中和軸聯結墻梁上的剪應力達到最大，對于多數古塔都沿中和軸線方向開設門窗洞，這樣削弱了該方向的抗剪承載力，從而增大了沿中軸線方向發生的剪切破壞。從破壞現象來看，古塔在地震時沿中軸線的破壞，首先是在沿中軸線方向發生剪切錯位形成裂縫，隨著地震反復作用，剪切變形來回錯動，當發生較大變形時，中軸線方向的裂縫逐漸擴大，導致古塔的倒塌。

3 地震反應分析

今以太平寺塔為例，采用時程分析法對其進行地震反應分析。

3.1 模型建立

太平寺塔位于陜西省岐山縣，為國家級重點保護文物，系正八邊形磚塔，共九級，根據抗震設計規范（GB50011-2001）取為乙類建筑，設防烈度按照8度設防，因無詳細場地資料，根據周邊地區情況取為Ⅱ類場地。

依據以往資料，磚石古塔建模均采用實體建模方法，根據古塔實際尺寸建立幾何模型，采用三維10節點四面體單元來模擬塔體，單元類型為SOLID45，Smart size取為0.8，由文獻[4]，塔體傾斜對結構自振頻率影響甚小，今建模忽略塔體傾斜因素的影響。參照砌體結構設計規范（GBJ3-88），取太平寺塔磚砌體彈性模量E=784MPa，泊松比γ=0.15，磚砌體密度取1900kg/ m3，其模型如圖7。

3.2 選擇輸入地震波

本文地震波選用EL-Centro波，截取前20s，并取時間間隔為0.02s，共1000點。對該地震波進行調幅，最大值分別取為0.7m/s2和2.0 m/s2，分別相當于8度小震和8度中震，其峰值均出現于2.14s。

3.3 地震波作用下塔體的位移反應

在X軸方向上輸入地震波，分別得到對應于兩個峰值的各層最大水平位移，以及最大層間位移，經統計，列出位移曲線如圖8、圖9所示。

圖7 太平寺塔有限元模型

表1 太平寺塔幾何尺寸

圖8 最大位移對比

圖9 最大層間位移對比

由圖8、圖9看出，當加速度峰值為0.7m/s2時，塔剎頂部相對于地面最大位移為56.5mm，最大層間位移為7.4mm，出現在第二層；當加速度峰值為2.0 m/s2時，塔剎頂部相對于地面最大位移為161.5mm，最大層間位移為21.1mm，出現在第二層。以此推斷二、三層之間可能為結構薄弱層。

在下列圖10a-d中分別列出了峰值加速度為0.7 m/s2和2.0 m/s2所對應的二層頂部及塔剎頂部的水平位移反應曲線，二層頂部最大峰值出現在4.80s，最大位移分別為13.6mm和38.9mm；塔剎頂部最大峰值反應出現在4.78s，最大位移分別為56.5mm和161.5mm。

圖10 峰值加速度a-d類水平位移反應曲線圖

由圖11可以看出，主拉應力在塔身下部集中，其最大值出現在一層底部，可由應力準則判定：塔身底層立面首先開裂，形成一條水平裂縫，并斜向上方發展，在立面墻上形成一條斜裂縫，這可以更進一步解釋圖2所示太平寺塔底層破壞現象。

4 抗震加固方法建議

結合以上震害機理分析，為減輕甚至避免地震對磚石古塔的嚴重破壞，對其進行抗震加固十分必要，根據四川及陜西地區部分磚石古塔建筑的破壞情況，擬定出下列加固方法。

4.1 裂縫處的粘結

磚石古塔塔身墻體裂縫的產生以及粘結材料的風化，不僅降低了塔體的整體性，其抗剪強度也大大降低，鑒于這種情況，建議對裂縫及灰縫風化部分填補水泥砂漿，其做法為：對于墻體中強度不夠的灰縫進行打磨刨空，并灌入水泥砂漿，在外墻表面按照古塔本身的墻體顏色再加一層水泥砂漿，盡量保持古塔原來面貌。裂縫粘結后可有效保護古塔，可以減少因地震引起裂縫再次產生的可能性。

4.2 傾斜古塔的糾偏加固

對于斜塔的糾偏加固，目前主要有以下幾種方案：迫降糾偏、頂升糾偏以及綜合糾偏。其中迫降糾偏是在古塔沉降較小的一側采取措施使其向下沉降，從而達到糾偏效果。頂升糾偏則相反，是在斜塔基礎沉降較大的部位采用千斤頂頂升的辦法，使古塔在一個平面內做整體轉動以達到糾正目的。綜合糾偏則是采用兩種或兩種以上的糾偏方法，如頂升迫降法，混合迫降法等。要注意，在斜塔糾偏過程中一定要采取措施保證塔體的整體性，如對塔體加箍等方法，防止在糾偏過程中塔體產生再次破壞的危險。

圖11 8度中震下主拉應力云圖

4.3 塔內加設扶壁柱及圈梁

為保持古塔的原貌，采用內加固的方法，其適用于空筒式磚石結構古塔，做法如下：在每層平臺下，加設一道鋼筋混凝土圈梁，在塔內每個陰角處再加設上下貫通的三角形扶壁柱，與圈梁連為整體，其中圈梁與扶壁柱宜采用小截面高強混凝土以節省內部空間，這樣圈梁、平臺板、扶壁柱用錨筋連接，形成一個內框架，從而構成一個整體，這樣充分利用鋼筋混凝土的強度和延性，可大大提高塔的抗震性能。

4.4 塔體加箍

對于塔的整體性加固可采用塔體加箍，箍的形式有鋼板箍、鋼筋混凝土箍以及磚筋圈箍等，加箍主要是為了防止裂縫的開展，并可局部提高塔體的抗剪強度，從而保證整個塔體的整體性，提高抗震性能，并為糾偏加固提供可行性。

4.5 碳纖維加固

針對磚石古塔主要是由于抗拉強度不足而產生的破壞，可以采用碳纖維加固，碳纖維可以避免由于加固而增大結構尺寸及自重，碳纖維本身具有很高的抗拉強度，可有效抵抗塔體由于出現拉應力而造成的破壞。其做法為：首先對古塔表面處理，可采用環氧砂漿充分注入裂縫，進行裂縫封閉處理，然后根據預先計算好需要粘貼碳纖維布的位置，在相應位置抹上砂漿，待砂漿達到強度后對其進行找平處理，然后涂刷底層樹脂，等干燥后涂刷浸漬樹脂，再貼上碳纖維片材，應注意碳纖維片材與砂漿機密結合，最后對表面均勻涂上浸漬樹脂，待干燥后抹上水泥砂漿保護層進行保護。

5 結論

（1）磚石古塔在地震中破壞形式有多種情況，主要為塔剎及塔頂部位的坍塌；塔身出現的豎向、斜向及“X”型交叉裂縫；塔身傾斜；沿豎向中軸線的劈裂等。

（2）采用有限元對太平寺塔的地震反應計算分析，塔剎部位位移反應最大，通過計算最大層間位移推斷出薄弱層可能位于二、三層之間，對其抗震加固提供理論基礎。

（3）在震害調查及機理分析的基礎上提出針對性的加固方案以供參考。

[1]陳平，趙冬，姚謙峰.西安大雁塔抗震能力探討[J].建筑結構學報，1999，20(1):46-49.

[2]陳平，趙冬，姚謙峰.西安小雁塔抗震能力探討[J].西安建筑科技大學學報，1999，31(2):149-151.

[3]姚謙峰，盧俊龍，張蔭.磚石古塔抗震加固對策探討[J].工業建筑，2007，37(9)：115-118.

[4]魏俊亞，張東平.磚石古塔動力特性研究[J].工程抗震與加固改造，2008，30(5).

[5]李德虎，魏璉.磚石古塔的歷史震害與震害機制[J].建筑科學，01，1990:13-18.

[6]沈治國.磚石古塔的力學性能及鑒定與加固方法的研究[D].西安建筑科技大學碩士學位論文，2005.

[7]張文明.磚石古塔的抗震性能評估及地震破壞機理研究[D].西安建筑科技大學碩士學位論文，2008.

責任編輯：余詠梅

建筑知識

石材外墻裝修構造

石材外墻裝修構造，一般是指用花崗石和大理石裝修以及它們的細部做法。

花崗石外墻裝修花崗石外墻面具有耐久性好、不易風化、不易污染等優點。常用于建筑的基座、勒腳、門廊、柱子等局部裝修。石板的自重大，要求安裝牢固，每塊石板至少有兩個鐵件與墻連接，鐵件的一端應埋入墻內或與柱固定牢靠。石板與墻之間應留有30mm空隙，并灌滿水泥砂漿。花崗石板的拐角可做成L形錯縫、斜口對接或平口銜接等方式。石板墻面應處理好窗臺、窗套、出檐、勒腳、柱子以及各種凹凸的交接和拐角構造。

大理石墻面裝修大理石墻面具有色彩多樣、裝飾華麗的特點，大多用于建筑物的重點部位裝修。大理石往往加工成較薄的板材，厚20～30 mm，其構造多在結構中留置鋼筋頭，在墻面先扎好鋼筋網，間距500~1000mm。上下間距以石板的高度為準。石板上端的兩邊鉆有小孔，上口留有槽口。選用鉛絲穿扎于墻面的鋼筋網上，并將鉛絲頭隱入槽內。施工時先用石膏將石板臨時固定，然后在縫隙中灌入水泥砂漿。石板的接縫常用對接，縫隙為1～2mm。

（來源：《建筑工人》）

Analysis of Earthquake Damage Mechanism and Research on Reinforcement Scheme for Ancient Masonry Pagoda

Ancient pagoda buildings in Sichuan and Shaanxi district were damaged seriously in the earthquake of Wenchuan in 12th May.In order to protect the ancient pagoda which is a precious cultural heritage,do some induction-arrangement on earthquake disaster phenomena in ancient masonry pagodas from Sichuan and Shaanxi Guanzhong district after Wenchuan earthquake,and analyze the earthquake mechanism of this.Applying time history analysis method,the seismic analysis has been done for the Taiping Temple's Pagoda in Qishan County from Shaanxi province under horizontal affects by earthquake,and then gives some suggestion on reinforcement measures which based on the analysis of its mechanism.

masonry pagoda;seismic disaster investigation;seismic response analysis;reinforcement measures suggestion

TU746.3

A

1671-9107（2010）03-0019-05

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.3.019

2009-12-21

鄭天天(1983-)，男，安徽天長人，碩士研究生，主要從事古建筑加固與維護方面的研究。