曾遭受至少222次地震 故宫古建筑如何防震抗震?

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所属分类:减隔震百科

土耳其靠近叙利亚边境地区最近发生的地震造成了大量人员伤亡及建筑破坏,位于震中附近的加济安泰普城堡,具有近两千年历史,在地震中严重受损。反观自明永乐十八年(1420年)建成至今的600余年里,故宫遭受地震至少222次,鲜有建筑因地震遭受严重破坏的记载。故宫建筑不仅结构形式有利于抗震,而且包含了丰富的防震做法,体现了我国古代工匠卓越的建筑智慧。

曾遭受至少222次地震 故宫古建筑如何防震抗震?

木结构可使“墙倒屋不塌”

此次土耳其在地震中受到破坏的部分文化遗产建筑,结构形式均属于砌体结构。其主要特点是:以砖石为核心承重材料,即采用砖石墙来承担屋顶重量,并将屋顶重量通过墙体传至地基。尽管砖石本身的硬度、抗压强度远大于木材,但是由于砖石块体之间采用砂浆连接,砂浆抗拉、压、剪强度差,因而抗震性能很差。地震作用多以水平向为主(竖向地震影响一般不大,除非高层大跨结构,或特殊的场地条件,或高烈度地震作用等),那么在水平地震作用下,砂浆很容易松散,导致砖石墙体松动、开裂,诱发建筑倒塌。

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砌体结构传力方式示意图

而以故宫建筑为代表的中国古建筑的结构形式以木结构为主。这种结构的主要特点是:木梁、木柱为建筑核心承重材料,斗拱、梁枋支撑上部屋顶传来的重量,并向下传给柱;柱再把屋顶重量向下传至地基;墙体单独砌筑,不承担屋顶重量,仅起保温隔热作用。由于木材具有良好的弹性,且地基、立柱、榫卯、斗拱等构造做法,均有利于防震,因而建筑整体具有优秀的抗震性能。“墙倒屋不塌”是对故宫建筑抗震性能较为客观的评价。

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木结构传力方式示意图

地基密实糯米“隔震”

故宫古建筑的地基为“一块玉”做法。这种地基的特征为:原有土层被全部被挖去,重新使用人工回填土。人工回填土一层三七灰土(生石灰粉:黄土=3:7,质量比)、一层碎砖,由下至上反复交替。

为什么地基不是全部做灰土分层,而非得要一层灰土、一层碎砖交替使用呢?地基做的均匀平实,一旦遇到地震作用,可以有效避免建筑物不均匀下沉。灰土材料一般比较松软,其柔性强就意味着硬度低。当上部建筑的重量较大、地震力较强时,尽管建筑会均匀下沉,但下沉量会过大。相比而言,碎砖的硬度远大于灰土,其大部分属于烧窑或砌墙用的残余料。过筛子后碎砖尺寸相近,和灰土层交替使用,做成“一层灰土一层碎砖”的形式,不仅有效使用了建筑材料,而且减小了古建筑的沉降量。

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故宫地基的分层做法

故宫古建筑地基中含有糯米,也有利于建筑防震。日本学者武田寿一的著作《建筑物隔震、防震与控震》中,有这么一段关于故宫古建筑地基成分的描述:“1975年开始的三年中,在建造设备管道工程时,以紫禁城中心向下约5至6米的地方挖出一种稍黏有气味的物质。研究结果表明似乎是‘煮过的糯米和石灰的混合物’。”糯米具有很好的黏性,掺入灰土地基中,可使地基具有良好的整体性和柔韧性,类似于硬度较高的均匀面糊团。地震发生时,地基产生整体均匀变形,可延长建筑的晃动周期,错开地震波的峰值,减小地基及上部建筑的破坏。糯米地基抵抗地震的这种方式,我们称为“隔震”。

高大立柱平摆浮搁

故宫古建筑的立柱柱根不是插入地下,而是平放在一块石头的顶面。该石头称为柱顶石,柱底与柱顶石的连接做法称为平摆浮搁。柱根平摆浮搁于柱顶石的做法,是我国古代工匠智慧的体现。一方面,木材在封闭的环境中容易糟朽,立柱柱根若插入地底下,那么很可能因为空气不流通而糟朽。另一方面,这也是隔离地震的需要。若柱根插入柱顶石内,在强大的地震力作用下,柱根很容易折断并造成古建筑破坏。而平摆浮搁的做法,使得在地震发生时,柱根反复在柱顶石表面运动,不仅不会折断,而且可以产生“四两拨千斤”的隔震效果。柱根横截面小于柱顶石横截面,可以保证柱根始终在柱顶石表面往复滑动,而不会从柱顶石上掉下来。

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柱底与柱顶石

故宫古建筑的立柱还有侧脚做法。所谓“侧脚”,就是檐柱(建筑最外圈的立柱)顶部略微收、底部向外掰出一定尺寸的做法。侧脚的尺寸约为立柱高度的1%,侧脚后木构架形成“外八字”的造型。这种做法不但使整个建筑物显得更加庄重、沉稳有力,而且有利于建筑抗震。

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地震作用下木构架运动示意图

在发生地震时,立柱与梁之间的榫卯连接,使得彼此之间产生相对晃动。未设侧脚的木构架体系,其在水平外力作用下不断往复摇摆,构架轮廓由“矩形”变成“平行四边形”。而这种“平行四边形”的连接体系,在物理学上可称为“瞬间失稳体系”,极易破坏。而设置侧脚的木构架体系,柱与柱的延长线会相交于一点,形成虚“交点”,使得建筑轮廓犹如一个三角形。三角形体系属于稳固体系,不易产生破坏。柱身侧脚做法,可以约束木构架的晃动,木构架尽管产生摇晃,其轮廓始终保持为三角形状,因而不易破坏。另外侧脚使得柱顶卯口与梁端榫头挤紧,增强了榫卯节点的抗震性能。这种设有侧脚的连接体系,在物理学上称为“三角形稳定体系”。

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太和殿檐柱侧脚

榫卯斗拱耗散地震能量

榫卯节点、斗拱均为我国古建筑特有的构造。榫卯是指榫头与卯口,榫头位于梁端,被加工成凸出形状;卯口位于柱顶,被加工成凹进形状。榫头插入卯口中,就形成榫卯连接;而榫头、卯口的统一体,称为榫卯节点。故宫古建筑的榫卯节点有数十种,其中最常见的一种称为燕尾榫。燕尾榫节点的特征是:榫头被加工成燕子尾巴形式,榫头尺寸前大后小;对应的卯口相应做成了同样形状的凹口形状,尺寸前小后大。燕尾榫的安装方式由上向下进行,榫头插入卯口后,彼此形成牢固搭扣,因而安装后的榫头不容易从卯口中拔出。

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燕尾榫卯节点—安装前

从力学角度来讲,榫卯节点属于半刚接节点,其特点是:榫头与卯口之间,既不能随意转动,也不是完全固定,而是产生一种受到约束的转动。这种节点是非常有利于古建筑抗震的。因为在正常情况下,榫卯节点连接是比较牢固的。而发生地震时,地震力促使榫卯节点产生转动,这种转动并非大幅度转动,而是一种受到约束的转动。约束力由榫头与卯口之间的挤压产生,这种转动有利于减小建筑构架的晃动幅度,且由于榫头与卯口之间形成有力搭扣,因而榫头很难从卯口拔出,使得在地震作用下,大木构架不易散架。

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燕尾榫卯节点—安装后

不仅如此,从能量守恒原理看,榫卯节点耗散了部分地震能量,有利于减小对大木构架的破坏。这是因为:地震能量传到古建筑木构架上,转化为三个部分:变形能,该能量使得大木构架摇摆;内能,该能量使得构架产生破坏;动能,该能量使得榫卯节点运动,即榫头与卯口产生相对运动。在地震能量、变形能不变的情况下,榫卯节点接收的动能越大,构架接收的内能越小,构架就越不容易被破坏。因此,榫卯节点是中国古建筑的重要抗震做法。

斗拱是位于柱顶之上、屋檐之下的组合体,由很多小尺寸的斗形、弓形的木构件组成。斗拱的各个组件在纵横方向搭扣连接,而后在竖向又层层叠加起来,其外形犹如一把把撑开的伞。

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故宫角楼的精美斗拱 视觉中国

故宫古建筑的斗拱类型很丰富,如位于两根立柱之间的斗拱称为平身科斗拱,位于柱顶之上的斗拱称为柱头科斗拱,位于建筑四个转角部位的斗拱称为角科斗拱等。这些斗拱不仅造型优美,而且包含了古人丰富的抗震智慧。无论是水平向还是竖向的地震波,都不会造成斗拱破坏。发生水平地震时,斗拱的各个构件之间互相摩擦、挤压,并产生往复运动,犹如一个运动的机构体系。从能量守恒角度对斗拱分析:地震波的能量传到斗拱位置时,主要分成两个部分:斗拱的内能及斗拱的动能,斗拱内能即自身产生开裂破坏的根本原因,内能越大,斗拱破坏越严重。斗拱能量的另一个组成部分即动能,占的比例远大于自身的内能,其原因在于每个斗拱由上百个小构件组成,它们犹如机器的零件一样,在地震作用下不断产生各种运动,耗散了大量的地震能量,从而使得斗拱内能的比例很小,因而斗拱在地震作用下几乎不会产生破坏。事实上,大量的古建震害勘查结果表明,斗拱在地震作用下一般保存完好。

此外,故宫古建筑的梁架、屋顶、墙体等构造,均对建筑有不同的抗震贡献。有科学研究表明,以故宫古建筑为代表的我国古建筑,可以抵抗烈度达11度的地震,而砌体类建筑一般在烈度7度的地震作用下,就会开裂、倒塌。中国古建筑的防震智慧,值得我们不断学习,积极传承。

(作者单位:故宫博物院)

转自:北京日报客户端

北京日报副刊 | 作者 周乾

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