木結構古建筑的抗震性能分析

孫金波 王旭華

我國是一個地震區廣為分布的國家,20世紀以來幾次大的地震災害給人民的生命和財產造成了十分嚴重的損失。分析歷次的破壞性地震,可以發現多層磚混房屋遭到破壞的程度普遍比較嚴重,房屋倒塌并破壞造成大量的人員傷亡的房屋大多數是多層磚混結構。從根本上講,提高房屋的抗震能力,減輕房屋的破壞程度,是減少地震傷亡的根本措施。而我國木結構古建筑由于材料和結構本身的“柔性”以及建筑選型的穩重性,有著優越的抗震性能。

1 木結構古建筑的結構類型及特點

木結構古建筑主要是以木構架為主的結構體系,該體系用木材作為主體建筑材料,以柱、梁為承重骨架,用其他材料作為圍護物,并且根據不同地域、不同氣候特征、不同的地質特點采取不同的木構架結構形式,從而形成了柔性的框架體系以抵抗地震造成的破壞。這種結構體系使得我國傳統的木構架結構體系的建筑達到在經歷一場場大的地震災害后,建筑構架依然挺立,主體結構仍保持原來的形態而沒有遭到嚴重破壞的效果。這主要與以木構架的結構體系及其在建筑材料、結構選型、構造特點和建筑布局等方面具有抵抗地震波的特殊性和優越的抗震能力有直接的關系。

首先我國木結構古建筑主要采用的結構體系一種是抬梁式,這種結構是在基礎上立柱,柱上架梁,梁上再架短柱,短柱上再架梁,梁的兩端承檁,在構架的垂直方向上,形成下大上小的結構形狀,實踐證明這種構造方式具有較好的抗震性能。另一種是穿斗式,這種結構體系是由柱距較密,柱徑較細的落地柱與短柱直接承檁,柱間不另外架梁,而用若干穿枋聯系,并以挑枋承托出檐。

其次是臺基的運用。中國古代建筑的臺基用現代建筑結構語言來描述,可稱之為“整體浮筏式基礎”,這種結構能夠有效地避免建筑的基礎受剪切而破壞,減少地震波對上部建筑的沖擊。而上部的大屋頂也是木構架建筑最突出的特征之一,形成大屋頂需要復雜的結構和大量構件,大大增加了屋頂乃至整個構架的整體性;龐大的屋頂以其自重壓在柱網上,也提高了構架的穩定性,對提高建筑的抗震能力有很大的幫助。

第三是木構架體系所使用的成組的斗拱(如圖1所示)。這種構造是由斗形構件和形構件及枋木組成,在木構架古建筑中占有非常重要的地位。它的功能和作用主要是:可將柱子與屋架之間的承接過渡,承受上部梁架、屋面的荷載,并將荷載傳遞到柱子上,再由柱傳遞到基礎,具有承上啟下、傳遞荷載的功能。斗拱結構能夠有效地避免建筑物的基礎受到剪切破壞,從而減少地震波對上部建筑的沖擊,在地震時起著變形消能的作用。而且斗拱群是由各種水平構件連接起來的一個整體性很強的“剛盤”,按照荷載分布的原則這個“剛盤”把地震力傳遞給有抗震能力的柱子,大大提高了整個結構的安全性。

2 木構架結構體系的抗震性能分析

2.1 建筑材料

木材是建筑工程中被廣泛使用的三大建材之一,我國在木材建筑技術和木材裝飾藝術上都有很高的水平和獨特的風格。如舉世聞名的天壇祈年殿、被譽為“天下第一”的山西應縣木塔,都是我國木結構古建筑中的杰作。我國木結構古建筑之所以能經受地震而得以保存完整,主要是因為在抵抗地震災害方面,木材本身具有其他建材所沒有的優越性和特殊性。

首先,木材有很好的彈性和塑性,它能承受劇烈、高頻的沖擊和振動作用。其次,由于木材具有很強的順紋抗拉強度和較強的抗彎強度,在受到彎曲或剪切作用時由于纖維本身并不破壞,所以在受到地震波的作用時木材本身也不會馬上破壞。而且,木材還具有很強的韌性,在長期的荷載作用下,木材會產生等速蠕變,這個最大應力能使木材無限期負荷而不被破壞。因此,作為柔性的框架體系木結構體系本身就是抗震結構體系。

從結構主體材料的受力及抵抗外力的能力上講,木結構古建筑大都采用抬梁式或穿斗式結構體系,這種結構形式從承受載荷和作用力傳遞原理看如同現代建筑中的整體筏式基礎,具有相當的韌性,能夠緩釋地震波對房屋的強大作用力,能夠有效地避免建筑物的基礎受到剪切破壞,從而減少地震波對上部建筑的沖擊,具有優越的抗震性能。

2.2 建筑布置和結構選型

我國的木結構古建筑無論是單體建筑還是建筑群,在平面布局上一般都采用均衡對稱的方式,典型的布局就是把主要建筑配置在縱軸線上,在主要建筑的兩側和對面布置若干座次要建筑;另一種布置方式就是在縱軸上建立主要和次要建筑,將若干個單座建筑連接起來構成一個完整的布局。這種體型對稱、分布均勻的布局,在接受地震荷載時,各個部位的受力是均勻、剛度的變化也是對稱的。當受到地震波的沖擊時,各個層面的平面尺寸和側移剛度不會出現明顯的突變,變形集中和高振型的影響也不顯著,從而遭到地震破壞的程度相對較輕。能夠避免由于各部位受力不均勻,接受、吸收和傳遞地震荷載的能力不同而造成同一方向的側移剛度相差懸殊,在平面轉角或銜接處因變形不協調而引起附加震害,從而加重震害程度。

2.3 構造

我國傳統的木結構體系具有現代框架結構的種種優越性,在抵抗地震沖擊力時,采用的是“以柔克剛”的思維,亦即古代建筑中的“柔構”技能。這種結構通過各個構件之間的榫卯連接(亦即結構上的軟性連接)和各種巧妙的構造措施,構件之間柔性的連接,使得中國傳統的木結構成為超越了當代建筑排架、框架或者剛架的特殊柔性結構體,使得整體結構富有彈性,能夠承受強烈的地震波的沖擊能力和一定程度的自我恢復能力(見圖2)。

另外,如柱子的生起、側腳等技法降低了建筑的重心,并使整體結構重心向內傾斜,增強了結構的穩定性;柱頂、柱腳分別與闌額、地袱以及其他的結構構件連接,使柱架層形成一個閉合的構架系統,顯著增強了結構的整體性;柱子與柱礎的結合方式能顯著地減少柱底與柱礎頂面之間的摩擦,進而有效地產生隔震作用;在高大的樓閣中,如獨樂寺觀音閣、應縣木塔等,都在暗層中設有斜撐,大大強化了構架對水平沖擊波反復作用的抵抗能力;在外檐柱間設置較厚的墻體,起到現代建筑中“剪力墻”的作用。諸如此類,大到建筑群體的整體建筑布局、結構方法,小到構件斷面的尺寸設計和構造措施,處處都展示出我國傳統木結構體系所具有的優越的抗震能力。

3 結語

我國木結構古建筑體現了結構、構造技術與建筑藝術的高度和諧,表里如一,充分顯示了我國古代在建筑力學、建筑材料學、結構及構造方面的研究和造詣。對于祖先留下來的這份寶貴的遺產,作為結構設計人員我們應當在工程實踐中加以借鑒和繼承。

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