木结构古建筑的抗震性能分析

孙金波 王旭华

我国是一个地震区广为分布的国家,20世纪以来几次大的地震灾害给人民的生命和财产造成了十分严重的损失。分析历次的破坏性地震,可以发现多层砖混房屋遭到破坏的程度普遍比较严重,房屋倒塌并破坏造成大量的人员伤亡的房屋大多数是多层砖混结构。从根本上讲,提高房屋的抗震能力,减轻房屋的破坏程度,是减少地震伤亡的根本措施。而我国木结构古建筑由于材料和结构本身的“柔性”以及建筑选型的稳重性,有着优越的抗震性能。

1 木结构古建筑的结构类型及特点

木结构古建筑主要是以木构架为主的结构体系,该体系用木材作为主体建筑材料,以柱、梁为承重骨架,用其他材料作为围护物,并且根据不同地域、不同气候特征、不同的地质特点采取不同的木构架结构形式,从而形成了柔性的框架体系以抵抗地震造成的破坏。这种结构体系使得我国传统的木构架结构体系的建筑达到在经历一场场大的地震灾害后,建筑构架依然挺立,主体结构仍保持原来的形态而没有遭到严重破坏的效果。这主要与以木构架的结构体系及其在建筑材料、结构选型、构造特点和建筑布局等方面具有抵抗地震波的特殊性和优越的抗震能力有直接的关系。

首先我国木结构古建筑主要采用的结构体系一种是抬梁式,这种结构是在基础上立柱,柱上架梁,梁上再架短柱,短柱上再架梁,梁的两端承檩,在构架的垂直方向上,形成下大上小的结构形状,实践证明这种构造方式具有较好的抗震性能。另一种是穿斗式,这种结构体系是由柱距较密,柱径较细的落地柱与短柱直接承檩,柱间不另外架梁,而用若干穿枋联系,并以挑枋承托出檐。

其次是台基的运用。中国古代建筑的台基用现代建筑结构语言来描述,可称之为“整体浮筏式基础”,这种结构能够有效地避免建筑的基础受剪切而破坏,减少地震波对上部建筑的冲击。而上部的大屋顶也是木构架建筑最突出的特征之一,形成大屋顶需要复杂的结构和大量构件,大大增加了屋顶乃至整个构架的整体性;庞大的屋顶以其自重压在柱网上,也提高了构架的稳定性,对提高建筑的抗震能力有很大的帮助。

第三是木构架体系所使用的成组的斗拱(如图1所示)。这种构造是由斗形构件和形构件及枋木组成,在木构架古建筑中占有非常重要的地位。它的功能和作用主要是:可将柱子与屋架之间的承接过渡,承受上部梁架、屋面的荷载,并将荷载传递到柱子上,再由柱传递到基础,具有承上启下、传递荷载的功能。斗拱结构能够有效地避免建筑物的基础受到剪切破坏,从而减少地震波对上部建筑的冲击,在地震时起着变形消能的作用。而且斗拱群是由各种水平构件连接起来的一个整体性很强的“刚盘”,按照荷载分布的原则这个“刚盘”把地震力传递给有抗震能力的柱子,大大提高了整个结构的安全性。

2 木构架结构体系的抗震性能分析

2.1 建筑材料

木材是建筑工程中被广泛使用的三大建材之一,我国在木材建筑技术和木材装饰艺术上都有很高的水平和独特的风格。如举世闻名的天坛祈年殿、被誉为“天下第一”的山西应县木塔,都是我国木结构古建筑中的杰作。我国木结构古建筑之所以能经受地震而得以保存完整,主要是因为在抵抗地震灾害方面,木材本身具有其他建材所没有的优越性和特殊性。

首先,木材有很好的弹性和塑性,它能承受剧烈、高频的冲击和振动作用。其次,由于木材具有很强的顺纹抗拉强度和较强的抗弯强度,在受到弯曲或剪切作用时由于纤维本身并不破坏,所以在受到地震波的作用时木材本身也不会马上破坏。而且,木材还具有很强的韧性,在长期的荷载作用下,木材会产生等速蠕变,这个最大应力能使木材无限期负荷而不被破坏。因此,作为柔性的框架体系木结构体系本身就是抗震结构体系。

从结构主体材料的受力及抵抗外力的能力上讲,木结构古建筑大都采用抬梁式或穿斗式结构体系,这种结构形式从承受载荷和作用力传递原理看如同现代建筑中的整体筏式基础,具有相当的韧性,能够缓释地震波对房屋的强大作用力,能够有效地避免建筑物的基础受到剪切破坏,从而减少地震波对上部建筑的冲击,具有优越的抗震性能。

2.2 建筑布置和结构选型

我国的木结构古建筑无论是单体建筑还是建筑群,在平面布局上一般都采用均衡对称的方式,典型的布局就是把主要建筑配置在纵轴线上,在主要建筑的两侧和对面布置若干座次要建筑;另一种布置方式就是在纵轴上建立主要和次要建筑,将若干个单座建筑连接起来构成一个完整的布局。这种体型对称、分布均匀的布局,在接受地震荷载时,各个部位的受力是均匀、刚度的变化也是对称的。当受到地震波的冲击时,各个层面的平面尺寸和侧移刚度不会出现明显的突变,变形集中和高振型的影响也不显著,从而遭到地震破坏的程度相对较轻。能够避免由于各部位受力不均匀,接受、吸收和传递地震荷载的能力不同而造成同一方向的侧移刚度相差悬殊,在平面转角或衔接处因变形不协调而引起附加震害,从而加重震害程度。

2.3 构造

我国传统的木结构体系具有现代框架结构的种种优越性,在抵抗地震冲击力时,采用的是“以柔克刚”的思维,亦即古代建筑中的“柔构”技能。这种结构通过各个构件之间的榫卯连接(亦即结构上的软性连接)和各种巧妙的构造措施,构件之间柔性的连接,使得中国传统的木结构成为超越了当代建筑排架、框架或者刚架的特殊柔性结构体,使得整体结构富有弹性,能够承受强烈的地震波的冲击能力和一定程度的自我恢复能力(见图2)。

另外,如柱子的生起、侧脚等技法降低了建筑的重心,并使整体结构重心向内倾斜,增强了结构的稳定性;柱顶、柱脚分别与阑额、地袱以及其他的结构构件连接,使柱架层形成一个闭合的构架系统,显著增强了结构的整体性;柱子与柱础的结合方式能显著地减少柱底与柱础顶面之间的摩擦,进而有效地产生隔震作用;在高大的楼阁中,如独乐寺观音阁、应县木塔等,都在暗层中设有斜撑,大大强化了构架对水平冲击波反复作用的抵抗能力;在外檐柱间设置较厚的墙体,起到现代建筑中“剪力墙”的作用。诸如此类,大到建筑群体的整体建筑布局、结构方法,小到构件断面的尺寸设计和构造措施,处处都展示出我国传统木结构体系所具有的优越的抗震能力。

3 结语

我国木结构古建筑体现了结构、构造技术与建筑艺术的高度和谐,表里如一,充分显示了我国古代在建筑力学、建筑材料学、结构及构造方面的研究和造诣。对于祖先留下来的这份宝贵的遗产,作为结构设计人员我们应当在工程实践中加以借鉴和继承。

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