中原木结构和砖石结构古建筑抗震性能分析

杨芝璐　金蕾蕾

摘 要：近年来，全球范围内地震频发，中国自汶川地震以来，发生6.0级以上地震共有17起，频繁的地震灾害需要我们快速发展建筑的防震抗震技术。而现存的许多年代久远的古建筑，历经多次地震考验却屹立至今，说明其具有良好的抗震能力。本文通过对中原古建筑防震技术的分析以及对古代劳动人民在建筑中表现的抗震防震的思想智慧的研究，为现存古建筑保护、维修、加固提供相应的理论依据和技术参考，对现代建筑结构的抗震研究也有一定的参考价值。

关键词：古建筑；抗震；木结构；砖石结构

我国地震分布十分广泛，地震震源浅、强度大，建筑抗震性能差，因此对抗震防震技术的研究迫在眉睫。而中原地区——河南仅今年发生了3次3级以上的地震，虽然河南地震震级不大、频率不高，但河南地质比较复杂，北部在华北平原地震带上，与1976年发生过唐山大地震的唐山处于同一地震带；西部在汾渭地震带上，与1556年发生强烈地震的陕西华县处于同一地震带。因此河南受周边省份地震影响多，防震措施必不可少。

1 古建筑抗震历史

在我国古代，人们已经积累了许多在当时甚至现代都很先进的地震防御、预报技术和知识。比如，早在公元132年，东汉的张衡就发明了世界上第一架测验地震的仪器——候风地动仪。又如在《中国地震年表》中记载，我国历代大型木结构古建筑的抗震性能最好，常常是“墙倒屋不塌”或“柱脚小位移，而整体结构无恙”。再如被列为世界文化遗产的辽代应县木塔，由辽代到明代历经了7次大震仍崎然壁立，在1976年唐山7.8级地震，应县烈度9度，塔仍然安全。还如建于辽代的蓟县独乐寺观音阁，史料中记载康熙十八年三河平谷曾经发生了一次大地震，当时蓟县城内“官廊民舍无一存”，观音阁“独不圮”。由此可见，中国古建筑强大的抗震性能。

2 中原古建筑木结构——奉仙观玉皇殿抗震性能分析

中原地区的木结构古建筑主要有河南济源奉仙观三清殿、玉皇殿、临汝风穴寺中佛殿等，木结构的防震技术十分独特，下面就以济源奉仙观玉皇殿为例来分析其抗震技术。

2.1 济源奉仙观玉皇殿简介

玉皇殿位于奉仙观中轴线上，始建于元代，后被毁，现存建筑为明代中早期所建。该建筑为面阔三间（10.1米），进深两间（5.9米），单檐悬山灰瓦顶琉璃剪边屋面。台基高40厘米，为青砖、毛石、水泥砖混砌，系后人临时所为，比较粗糙。前檐明间置两根小八角石柱，有柱升起和柱侧脚，余为木柱，均包砌在墙内。

2.2 玉皇殿抗震机理分析

玉皇殿的建筑平、立面布置规则、对称，质量和刚度变化均匀。建筑物的体型规则、对称，不仅可以减轻结构的地震扭转反应，而且结构各部分的振动基本协调一致，容易估计其地震反应，便于采取抗震构造措施和进行细部处理，从而有利于抗震。建筑物的质量和刚度变化均匀，使结构的质量中心和刚度中心相一致，可减小结构的扭转反应，否则结构的扭转反应将使远离刚度中心的构件产生严重的破坏。

玉皇殿的前檐明间置两根小八角石柱有柱侧脚，柱子侧脚可减小水平地震力作用。侧脚，即令外檐柱略倾斜放置，檐柱顶阑额及内柱顶均平，由于外檐柱斜长大于内柱高，在水平地震作用下阑额侧移时，侧脚柱把一部分地震力转化为轴向压力，从而在一定程度上减小地震作用。同时，压力变大的一侧柱柱头外倾，柱身挺起，梁架此时被置于一个倾斜面上，重力沿斜面分力成为恢复力的一部分，始终迫使梁架回到稳定位置。柱架侧摆时会使前方柱轴压力增大，侧脚会使前方柱柱顶升高，避免柱子因轴力增大被压缩变短而造成梁架向前方倾斜而是梁架容易滑落。

榫卯节点和斗拱可产生减震耗能作用。榫卯节点是中国古建筑木结构梁与柱连接的特有方式，即梁端做成榫头形式，插入柱头预留的卯口中。地震作用下，榫头和卯口之间的相对摩擦和挤压可耗散地震能量。斗拱搁置于柱头上具有承上启下、传导屋架荷载的功能，屋面上的重量由上部梁架传递到斗拱，再由斗拱传递到柱子上，最后传给基础。斗拱组成的铺作层相当于一个弹性支座，具有一定的弹性作用，铺作层的层间滑移及其转动可以消耗能量，可减少水平地震作用对建筑结构的破坏。

3 中原砖石结构古建筑——开封铁塔抗震性能分析

3.2.1开封铁塔简介

开封铁塔位于河南省开封市北门大街铁塔公园的东半隅，是园内重要的文物，也是主要的景点。始建于公元1049年（北宋皇祐元年），是1961年中国首批公布的国家重点保护文物之一，素有“天下第一塔”之称。在900多年中，历经了37次地震，18次大风，15次水患，文革时期曾被刨过，而巍然屹立。

3.2.2开封铁塔的结构特点

开封铁塔基本上是仿木楼阁式砖石塔建筑，铁塔高55.88米，八角十三层，每层都有轻微的收分，内部有蹬道盘旋可登顶。

3.2.3开封铁塔的抗震性能

开封铁塔之所以历经多次地震而不倒，与其结构的以下几个优势有关：（1）塔址选择好，地基坚固。开封铁塔的塔高有55.88米，加之其砌筑砖石的容重大，作用在地基上的荷载很大，所以坚固的地基基础是铁塔百年来屹立不倒的重要保证[6]。（2）铁塔是多角形的，平面规则对称。从立面上看，塔身截面采用从下而上逐层递减的收分技术，塔身成自然缓和的锥体形，从结构上增加了铁塔的稳定性。铁塔这种规则稳定的结构特点不仅可以减少地震的扭转效应，而且层间抗力与地震剪力相协调，避免了中下部形成薄弱层的不利情况。（3）铁塔的整体性能良好。铁塔的墙壁较厚，具备较强的楼层约束，类似现代高层建筑中的筒体结构，具有良好的抗震能力。

4 結束语

本文以分析古建筑抗震性能为主，介绍古建筑的抗震历史，并以河南济源奉仙观玉皇殿、开封铁塔为例研究分析了古建筑中木结构和砖石结构的抗震性能。从这些古建筑的抗震性能分析中，挖掘其结构上的优势，再进行深度研究，对增强现代建筑的抗震性能有一定的参考作用。

参考文献

[1]盘锦章.中国木结构古建筑抗震机理分析

[2]中国古建筑的抗震技术·每日商报

[3]周乾.闫维明.纪金豹.古建筑木结构抗震构造评估研究《工程抗震与加固改造》.2011年8月第33卷第4期

[4]李小午.中国古建筑结构（抗震）性能分析-河南天盛寺大雄宝殿结构侧脚研究

[5]张鹏程.中国古代木构建筑结构及其抗震发展研究

[6]岳建伟、王东涛.“开封铁塔”的动力特性研究