中原木結構和磚石結構古建筑抗震性能分析

楊芝璐　金蕾蕾

摘 要：近年來，全球范圍內地震頻發，中國自汶川地震以來，發生6.0級以上地震共有17起，頻繁的地震災害需要我們快速發展建筑的防震抗震技術。而現存的許多年代久遠的古建筑，歷經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的分析以及對古代勞動人民在建筑中表現的抗震防震的思想智慧的研究，為現存古建筑保護、維修、加固提供相應的理論依據和技術參考，對現代建筑結構的抗震研究也有一定的參考價值。

關鍵詞：古建筑；抗震；木結構；磚石結構

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的研究迫在眉睫。而中原地區——河南僅今年發生了3次3級以上的地震，雖然河南地震震級不大、頻率不高，但河南地質比較復雜，北部在華北平原地震帶上，與1976年發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，人們已經積累了許多在當時甚至現代都很先進的地震防御、預報技術和知識。比如，早在公元132年，東漢的張衡就發明了世界上第一架測驗地震的儀器——候風地動儀。又如在《中國地震年表》中記載，我國歷代大型木結構古建筑的抗震性能最好，常常是“墻倒屋不塌”或“柱腳小位移，而整體結構無恙”。再如被列為世界文化遺產的遼代應縣木塔，由遼代到明代歷經了7次大震仍崎然壁立，在1976年唐山7.8級地震，應縣烈度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發生了一次大地震，當時薊縣城內“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 中原古建筑木結構——奉仙觀玉皇殿抗震性能分析

中原地區的木結構古建筑主要有河南濟源奉仙觀三清殿、玉皇殿、臨汝風穴寺中佛殿等，木結構的防震技術十分獨特，下面就以濟源奉仙觀玉皇殿為例來分析其抗震技術。

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，有柱升起和柱側腳，余為木柱，均包砌在墻內。

2.2 玉皇殿抗震機理分析

玉皇殿的建筑平、立面布置規則、對稱，質量和剛度變化均勻。建筑物的體型規則、對稱，不僅可以減輕結構的地震扭轉反應，而且結構各部分的振動基本協調一致，容易估計其地震反應，便于采取抗震構造措施和進行細部處理，從而有利于抗震。建筑物的質量和剛度變化均勻，使結構的質量中心和剛度中心相一致，可減小結構的扭轉反應，否則結構的扭轉反應將使遠離剛度中心的構件產生嚴重的破壞。

玉皇殿的前檐明間置兩根小八角石柱有柱側腳，柱子側腳可減小水平地震力作用。側腳，即令外檐柱略傾斜放置，檐柱頂闌額及內柱頂均平，由于外檐柱斜長大于內柱高，在水平地震作用下闌額側移時，側腳柱把一部分地震力轉化為軸向壓力，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力的一部分，始終迫使梁架回到穩定位置。柱架側擺時會使前方柱軸壓力增大，側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。

榫卯節點和斗拱可產生減震耗能作用。榫卯節點是中國古建筑木結構梁與柱連接的特有方式，即梁端做成榫頭形式，插入柱頭預留的卯口中。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。斗拱組成的鋪作層相當于一個彈性支座，具有一定的彈性作用，鋪作層的層間滑移及其轉動可以消耗能量，可減少水平地震作用對建筑結構的破壞。

3 中原磚石結構古建筑——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，歷經了37次地震，18次大風，15次水患，文革時期曾被刨過，而巍然屹立。

3.2.2開封鐵塔的結構特點

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多次地震而不倒，與其結構的以下幾個優勢有關：（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，塔身成自然緩和的錐體形，從結構上增加了鐵塔的穩定性。鐵塔這種規則穩定的結構特點不僅可以減少地震的扭轉效應，而且層間抗力與地震剪力相協調，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，類似現代高層建筑中的筒體結構，具有良好的抗震能力。

4 結束語

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構和磚石結構的抗震性能。從這些古建筑的抗震性能分析中，挖掘其結構上的優勢，再進行深度研究，對增強現代建筑的抗震性能有一定的參考作用。

參考文獻

[1]盤錦章.中國木結構古建筑抗震機理分析

[2]中國古建筑的抗震技術·每日商報

[3]周乾.閆維明.紀金豹.古建筑木結構抗震構造評估研究《工程抗震與加固改造》.2011年8月第33卷第4期

[4]李小午.中國古建筑結構（抗震）性能分析-河南天盛寺大雄寶殿結構側腳研究

[5]張鵬程.中國古代木構建筑結構及其抗震發展研究

[6]岳建偉、王東濤.“開封鐵塔”的動力特性研究