木構架古建筑的地震損傷特征與規律研究

袁建力，李勝才，宋 拓

（揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇揚州 225009）

引言

中國木構架古建筑是人類文化遺產的重要組成部分，具有寶貴的歷史、藝術和科研價值。我國是地震多發國家，現存的木構架古建筑大多遭受過地震損傷，歸納其地震損傷特征和規律，制訂相應的防震減災規劃，是文化遺產保護的重要舉措。

唐山大地震之后，中國建筑科學研究院、中國地震局工程力學研究所對包括古建筑在內的各類工程進行了震害資料收集和震害特征分析［1－4］；汶川特大地震、蘆山地震之后，四川省文物管理局、四川省文物考古研究院以及一批熱衷于文物保護的高校，積極開展古建筑震害狀況的調查和分析工作，匯集了更為豐富的古建筑震害資料［5－13］。文獻［4，10－12］按照古建筑的震害程度，提出了震害分類或等級劃分的方法；文獻［3，6－13］還針對古建筑的震害特征，提出了抗震加固的建議。由于上述文獻資料涉及的古建筑類型較多，且基本為一次地震的震害案例，難于對木構架古建筑的震害規律進行系統的研究。文中對唐山地震、汶川地震、蘆山地震中木構架古建筑的震害資料進行了梳理和補充，采用分類歸納和統計分析方法，核定地震烈度、震害程度等關鍵指標，研究地震損傷特征和規律，并參照我國現行抗震設防標準，建立木構架古建筑震害程度與地震烈度的表述關系，為制訂相應的防震減災規劃提供基本依據。

1 木構架古建筑的震害統計

木構架古建筑通常由臺基、木構架、墻體和屋頂4 部分組成，木構架為主要承重體系。進行地震資料分析時，宜將臺基、墻體和屋頂的震害歸并，以突出考察木構架的震害；此外，為了評定木構架古建筑的整體震害程度，可根據各組成部分的震害狀況分為以下4個等級。

（1）輕度破壞：臺基開裂；墻體開裂；屋脊開裂，飾件少量跌落，瓦片少量滑落；木構架榫卯松脫，個別柱腳位移。

（2）中度破壞：臺基破裂；墻體嚴重開裂或局部歪閃；屋脊破碎，飾件跌落，瓦片局部滑落；木構架榫卯拔出，部分柱腳位移或個別構架傾斜。

（3）嚴重破壞：臺基破碎或局部沉降；墻體破碎、歪閃或局部倒塌；屋面局部坍塌，瓦片大面積滑落；木構架榫卯折斷，柱腳大幅度位移，大部分構架傾斜。

（4）完全破壞：臺基嚴重沉降或垮塌；墻體大部分倒塌；屋頂整體塌落；木構架部分倒塌或全部倒塌。

1.1 唐山地震震害統計

1976年7月28日3 時42 分，中國河北省唐山豐南一帶發生了里氏7.8 級強烈地震，震中烈度Ⅺ度，震源深度12～16 km。這是我國歷史上一次罕見的城市地震災害，北京和天津市受到嚴重波及，地震破壞范圍超過3萬km2，震中區域的房屋大部分倒塌，造成約24.2萬人死亡、16.4萬人重傷。由中國地震局發布的唐山地震烈度分布圖見圖1。

圖1 唐山地震烈度分布圖Fig.1 Intensity distribution of Tangshan earthquake

唐山地震的震級大、震源淺、烈度高，對建筑物的損害非常嚴重。震區的民用磚木結構房屋，在6～7 度區已發生明顯的損壞，在8度、9度及以上的高烈度區大多數嚴重破壞、倒塌。相對而言，木構架古建筑的總體地震損傷程度略輕，倒塌數量較少；但在6 度區已有較多古建筑發生損壞，在高烈度區也有一些年久失修的古建筑遭到嚴重破壞或倒塌。唐山地震木構架古建筑的震害情況如表1所示。

表1 唐山地震木構架古建筑震害Table 1 Seismic damage of ancient timber frame buildings in Tangshan earthquake

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1.2 汶川地震震害統計

2008年5月12日14 時28 分，在四川省阿壩藏族羌族自治州一帶發生了里氏8.0 級特大地震，震中汶川縣的地震烈度達到Ⅺ度。地震波及大半個中國，地震破壞范圍超過10 萬km2，共造成6.9 萬人死亡、1.8 萬人失蹤、37.5萬人受傷，是唐山大地震后傷亡最嚴重的一次地震。由中國地震局發布的汶川地震烈度分布圖見圖2。

圖2 汶川地震烈度分布圖Fig.2 Intensity distribution of Wenchuan earthquake

汶川地震不僅給人民生命財產造成巨大損失，也使許多珍貴文化遺產受到嚴重損毀，而處于震中的四川地區尤為嚴重。據四川省文物局2008年6月底統計，在此次地震中，有83處全國重點文物保護單位受損，占總數的65%；174處省級文保護單位受損，約占總數的30%；還有803處市、縣級文物保護單位有不同程度損壞，約占總數的27%。汶川地震中全國和省級文物保護單位中木構架古建筑的震害情況如表2所示。

表2 汶川地震四川木構架古建筑震害Table 2 Seismic damage of ancient timber frame buildings in Wenchuan earthquake

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1.3 蘆山地震震害統計

2013年4月20日8時02分四川省雅安市蘆山縣發生里氏7.0級地震，震源深度13 km，震中烈度Ⅸ度，震中蘆山縣龍門鄉99%以上房屋垮塌，成都、重慶及陜西部分地區均有較強震感，受災面積12 500 km2。據中國地震局網站消息，截至24日14時30分，地震共計造成196人死亡、失蹤21人、11 470人受傷。由中國地震局發布的蘆山地震烈度分布圖見圖3。

圖3 蘆山地震烈度分布圖Fig.3 Intensity distribution of Lushan earthquake

蘆山地震中文化遺產也遭受了重創。根據國家減災委公布的《四川蘆山“4·20”強烈地震災害評估報告》，地震災區中共有24 處全國重點文物保護單位，78 處省級文物保護單位，157 處市縣級文物保護單位不同程度受損；而處于震中的雅安地區尤為嚴重。蘆山地震中全國和省級文物保護單位中木構架古建筑的震害情況如表3所示。

表3 蘆山地震四川木構架古建筑震害Table 3 Seismic damage of ancient timber frame buildings in Lushan earthquake

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2 木構架古建筑的典型震害

2.1 木構架震害

木構架為梁柱排架結構，質量輕、剛度小，在地震時吸收的沖擊能量較小，損傷程度一般較輕；且梁柱的節點采用榫卯結合，具有較好的轉動耗能作用，可避免構架發生脆性破壞。

木構架在低烈度區的震害主要為節點拔榫、柱腳滑移，在高烈度區會發生榫卯斷裂、構架傾斜等嚴重震害；一些年久失修或構造有缺陷的木構架，在強烈地震作用下也會倒塌，如唐山大地震中，位于豐南縣10 度區一座古廟的木構架全部倒塌（圖4）。

圖4 豐南古廟木構架倒塌［1］Fig.4 Collapsed timber frame in Fengnan Temple［1］

2.2 圍護墻震害

木構架古建筑圍護墻的質量和剛度均較大，在地震時吸收了建筑中較大部分沖擊能量，其損壞程度通常比木構架嚴重。

圍護墻的震害主要為墻體開裂、歪閃，嚴重時破碎或倒塌；在汶川地震中，位于烈度8度區的四川平武報恩寺天王殿、大雄寶殿墻體歪閃，轉輪藏殿山墻垮塌（圖5）。

圖5 平武報恩寺山墻垮塌［5］Fig.5 Collapsed gable of Pingwu Baoen Temple［5］

2.3 屋頂震害

屋頂位于木構架古建筑的頂部，在地震中位移、變形較大，容易發生屋脊斷裂、飾件跌落和瓦片滑落震害，嚴重時屋蓋局部或整體塌落。

唐山地震中，位于豐南縣10 度區的一座古廟，因年久失修、構架破損，在強烈地震作用下屋頂被拋出臺基之外（圖6）。

圖6 豐南古廟屋頂拋落［1］Fig.6 Falling roof in Fengnan Temple［1］

2.4 地基震害

地震導致的地基滑坡，常使古建筑臺基嚴重損壞、上部結構倒塌。

汶川地震中，一些位于高烈度區不利地段的古建筑，因山體滑坡、地基失效而嚴重破壞；如都江堰二王廟古建筑群，較多建筑的臺基破壞、木構架傾斜、墻體和屋頂坍塌；建造在綿陽竇圃山頂的云巖寺，由于山體滑坡，殿堂大部分破壞，竇真殿全部垮塌（圖7）。

圖7 云巖寺竇真殿垮塌［5］Fig.7 Collapsed Douzhen Hall of Yunyan Temple［5］

3 木構架古建筑的震損規律

3.1 地震損傷的數據統計

根據表1～表3 的震害資料以及地震損傷程度的評定，可統計出木構架古建筑在地震烈度6 度、7 度、8度、9度及以上區域中，各級損傷程度數量和所占比例，見表4。

表4 木構架古建筑在三大地震中的損傷數量與所占比例Table 4 Damage quantity and proportion of ancient timber frame buildings in three major earthquakes

3.2 地震損傷的一般規律

參照《中國地震烈度表》（GB/T 17742－2020）［14］數量詞的界定方法，建筑物損傷數量所占比例的定義為：（1）“個別”為10%以下；（2）“少數”為10%～45%；（3）“多數”為40%～70%；（4）“大多數”為60%～90%；（5）“絕大多數”為80%以上。則由表4中的比值，可對木構架古建筑地震損傷的一般規律表述如下：

（1）6度區：木構架古建筑大多數輕度破壞，少數中度破壞，個別嚴重破壞；

（2）7度區：木構架古建筑多數中度破壞，少數輕度破壞，少數嚴重破壞；

（3）8度區：木構架古建筑多數嚴重破壞，少數輕度破壞，少數中度破壞；

（4）9度及以上區域：木構架古建筑大多數嚴重破壞，少數中度破壞，少數完全破壞。

4 木構架古建筑的抗震對策

通過對唐山地震、汶川地震、蘆山地震的震害資料分析可知，木構架古建筑在地震作用下的損傷特征較為明顯，表現為低烈度下的易損性、高烈度下的抗倒性和地基失效的毀壞性；針對這些震害特征，可提出相應的抗震鑒定和加固的對策。

4.1 改善低烈度下的易損性

木構架古建筑在低烈度下就出現了較為明顯的損傷狀況，震害主要為墻體開裂、屋頂滑瓦、飾件跌落、木構架榫卯松脫、柱腳位移等。從總體上看，木構架古建筑在低烈度區的震害程度尚不嚴重，但損傷較為普遍且數量眾多（見表4）；一些構造不合理或年久失修的建筑也會發生嚴重的損傷和變形，對建筑和人員的安全產生不利的影響。

木構架古建筑在低烈度下的易損性，與墻體、屋頂、木構架的構造及制作質量密切相關，也與修繕保護程度有直接的關系，需要采取相應措施進行控制。對位于抗震設防6度、7度區的木構架古建筑，應以構造和制作質量為主，結合修繕保護狀況進行抗震鑒定，提出相應的修繕加固措施，改善其易損性；對位于7度區的建造年代久遠、構造有缺陷以及保護狀況較差的古建筑，尚需進行抗震能力驗算，提出結構加固的方案。

4.2 提升高烈度下的抗倒性

木構架古建筑在8度及以上高烈度區大多遭受了較為嚴重的損壞，且震害隨著烈度的增大而明顯加劇，墻體破碎倒塌、屋頂坍塌、木構架傾斜等震害均有發生。但是，在9度及以上區域內的木構架古建筑，除了因山體滑坡、地基失效或年久失修而導致建筑整體倒塌的情況外，尚有不少“墻倒屋不塌”的實例，表現出良好的抗倒塌性能。如汶川地震中位于9度區的大多數木構架古建筑，在墻體和屋頂垮塌的情況下，木構架仍未倒塌（見表2）。

木構架古建筑在高烈度下的抗倒性，與木構架的結構構造密切相關，其榫卯的有效拉接、斗栱的摩擦耗能以及屋蓋的整體結合，是保持木構架在強烈地震作用下“晃而不倒”的關鍵因素。此外，經過抗震加固的木構架古建筑，再次遭遇強烈地震襲擊時，大都顯示了較好的抗倒塌性能，保證了建筑和人員的安全；如蘆山地震中位于8 度區的平襄樓、位于9 度區的青龍寺大殿（見表3）在汶川地震后進行了抗震加固，結構抗震性能有效提升，蘆山地震時再次經受了強震考驗，整體結構安然屹立，保證了建筑和人員的安全。

由于木構架古建筑在高烈度區出現了嚴重的震害，將危及建筑和人員的安全；對位于抗震設防8度、9度區的古建筑，均應進行抗震構造鑒定和抗震能力驗算，提出結構和構造加固的方案，以提升其抗倒塌性能；對位于9度區的古建筑，尚應進行木構架抗倒塌驗算［15］，并采取合適的加固措施，以確保木構架“大震不倒”。

4.3 消除地基失效的毀壞性

地震造成的地基失效，輕則導致古建筑的墻體倒塌、木構架傾斜，重則導致古建筑的整體垮塌，是位于抗震不利地段的古建筑最易發生的震害；在汶川地震中，一些位于山頂、坡地上的木構架古建筑，均因山體滑坡、地基失效而嚴重受損或破壞（見表2）。

鑒于地基失效對建筑和人員的嚴重危害性，首先要對地震時可能發生塌方、滑坡或沉陷的地段進行鑒定，確定是否為不利地段或危險地段，并提出確實的防護和加固措施，以消除地基失效的根源；在保證地基穩定可靠后，再對木構架古建筑進行結構抗震鑒定或抗震能力驗算。

5 結論與建議

根據唐山地震、汶川地震、蘆山地震的震害資料統計分析可知，木構架古建筑的震損程度隨著地震烈度的增大趨于嚴重，且兩者之間具有較為直接的對應關系；按照本文提供的地震損傷程度分級方法和《中國地震烈度表》（GB/T 17742－2020）的相關指標，可較好地表述木構架古建筑在各級地震烈度下的損傷程度和一般規律。

木構架古建筑的震害特征可歸納為低烈度下的易損性、高烈度下的抗倒性和地基失效的毀壞性；這些特征與木構架古建筑的結構構造、制作質量和維護狀況密切相關，也取決于古建筑所在場地的穩定狀況；對木構架古建筑進行有針對性的抗震鑒定并按照文物保護原則采取合理的加固措施，可有效地改善其易損性、提高其抗倒性、消除地基失效的隱患，實現防災減災的目標。

我國是地震多發國家，現存木構架古建筑遭受地震損壞的數量眾多，但目前所獲得的震害資料主要源自大地震中受損的國家和省級文物保護單位，尚不包括數量較多的市縣級文物保護單位。目前，國家文物主管部門正在組織編寫《古建筑結構健康監測技術導則》，準備充分利用互聯網技術，建立各級古建筑的地震災害檢測和信息系統，及時全面地收集地震災害資料；這一舉措將進一步提高木構架古建筑地震損傷評價的科學性，有利于古建筑抗震規劃和設防標準的合理制定。