木结构古建筑震害分析与抗震性能评估思路
关键词：木结构；古建筑；震害；性能；评估；思路
1前言
我国是一个多地震国家，历史上曾发生过多次强烈的地震，为了防止和减轻地震灾害，我国设了12个抗震防灾重点防御区，77个抗震重点城市，这些城市不少都是历史文化古城，有大量的木结构古建筑存在，因此对木结构房屋的抗震性能评估和保护措施研究十分重要。
现在，世界进入了一个新的地震活跃期，5.12汶川大地震中许多古建筑的破坏，使对木结构古建筑特别是作为文物的这类古建筑的抗震研究与保护愈显迫切。
2震害与分析
和铁钉、铁匝连接的近代木结构不同，木结构古建筑作为一种梁柱结构体系，具有以下显著特点：一是梁柱等构件之间由榫卯节点连接；二是檐下柱端多用斗拱连接，斗拱具有结构和装饰的双重功能；三是柱与基础的连接或采用管脚榫，或基础直接搁置于石质的柱顶石表面上。
一般来说，木结构古建筑由于木材的弹性以及上述的特点而具有较高的抗震能力，但其中也有不少该类古建筑在地震中呈现出不同程度的损坏。以下为自上世纪70年代以来发生的地震中，木结构古建筑在不同强度地震作用下的震害实例分析。
2.1结构平面布局与震害。5.12汶川大地震中，青城山道教建筑群中的祖师殿真武宫，其平面比较复杂，地震时产生了一定的扭转，柱子和柱顶石之间产生了较大的滑移，各柱脚的滑移大小不一。距离正门较近的柱子上端向右倾斜，较远的柱子上端向左倾斜[2]。在唐山地震以及20世纪70年代以来木结构古建筑的其他震害记录中，平面布局引起的震害记录并不多，其原因是木结构古建筑平面一般比较规则，很少建造平面复杂的建筑，主要采用长宽比小于2∶1的矩形。规则的平面形态和结构布局有利于抗震。传统建筑往往是中间的一间(当心间)最大，两侧的次间、梢间等依次缩小面宽，这样的设计非常有利于抵抗地震带来的扭矩[3]。
2.2木构架震害。唐山地震中，地震烈度高于9度的唐山市的刘家祠堂（清光绪年间重修），面宽三间，进深五架，前后出廊，檐柱为石柱，其余柱为木柱。唐山地震后，周围各类建筑倒塌殆尽，该建筑木构架未倒[1]。唐山地震中，地震烈度为9度的天津市宁河县的天尊阁（三重檐灰瓦歇山顶），木结构，前出廊，面宽五间，进深四间，震后木梁架基本完好[1]。地震烈度为9度的海城地区的三座清代木构架建筑文昌阁、三学寺和关帝庙，海城地震后，木构架基本完好[1]。通海地区的聚奎阁，地震烈度为9度的通海地震后，受损轻微，木构架完好[1]。地震烈度为8度的云南澜沧-耿马地震中，耿马地区的傣族佛教寺庙缅寺主体木构架保持基本完好[1]。5.12汶川大地震中，青城山旅游索道上站新修的穿斗式木结构建筑，整体完好[2]。5.12汶川大地震中，根据国家文物局震情通报，甘肃省天水市秦州区玉泉观玉皇殿玉皇阁整体倾斜；甘肃省天水市国家重点文物保护单位后街清真寺大殿向西南倾斜，前后殿交接处整排柱向西南倾斜。所有实例都没有倒塌的例子，体现出木结构古建筑良好的抗倒塌性能。
木结构古建筑的抗倒塌性能是由其结构构造特点所决定的。首先中国古代建筑的台基是用三七灰土等夯筑成的整体式基础，能够有效地避免建筑的基础被剪切破坏，减少地震波对上部建筑的冲击[3]。另外大屋顶的重量及较强的整体性直接导致了地震作用下结构可能整体移动但不会破坏。北方地区大量的木结构古建筑采用抬梁式木构架，其结构的主要特点之一是榫卯技术的应用，成熟的榫卯技术和随梁、金枋形成围合圈梁式结构不仅使木构架具有可靠的整体性，而且榫卯结合能够承担转角弯矩，但又要产生微小角变位，吸收地震能量，提高了整体结构的抗震性能。
此外,斗拱技术的应用使古建筑上下架构间形成一层由纵横构件、方型升斗组成的弹性结构层，在一定程度上起到了类似减震器的功能，在高烈度的地震作用下，当结构产生较大变形时，斗拱群起到了有效的耗散变形能量的作用，这就在很大程度上增强了结构的抗震能力[1]。
还有如柱顶、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，增强了建筑构架的整体性。梁架系统通过额枋、柱头枋、蜀柱、攀间、搭牵、梁、檩、椽等诸多构件强化了联系，显著增强了结构的整体性；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，都展示出古建筑木结构比较好的抗震性能[3]。
2.3围护墙震害。在唐山地震中，地震烈度高于9度的唐山市的刘家祠堂，主要破坏为围护墙倒塌。地震烈度为9度的天津市宁河县的天尊阁，2层北围护墙部分震塌，3层围护墙大部分倒塌；地震烈度为9度的海城地区的三座清代木构架建筑文昌阁、三学寺和关帝庙，海城地震后，围护墙开裂。。地震加速度峰值为0.2g（8度），天津市的元泰安3年(1326年)建造的天后宫大殿，单檐庑殿顶木结构，西北角砖墙倒塌[1]。地震加速度峰值为0.05g（6度），围护墙破坏实例是北京德胜门箭楼（明正统元年建），九檩歇山顶木结构，面宽七间，进深二间，唐山震后，顶层檐墙和山墙大部分震塌[1]。在5.12汶川大地震中，甘肃省文物古建筑（木结构）武威文庙尊经阁、大成殿、桂籍殿墙体出现裂缝，哈达铺红军长征旧址的关帝庙墙体出现裂缝，戏楼原有裂缝扩大；甘肃省天水市国家重点文物保护单位后街清真寺大殿墙体开裂。天水古民居建筑（木结构）在5.12汶川大地震中，围护墙局部裂缝或在柱子位置有竖直裂缝，或围护墙与木柱脱开，出现很宽或比较宽的竖直裂缝，如甘肃省文物保护单位的石作瑞宅院（照片一）；有的围护山墙甚至被甩出而破坏（如甘肃省文物保护单位的连腾霄宅院主楼西山墙）。
古建筑的土围护墙，其结构性较差，特别是墙与柱没有联结措施，墙在转角处互相也没有拉结措施，在动荷载作用下极易出现墙与墙之间开裂以及墙与柱之间拉开，故在中、低强度地震作用下普遍发生开裂、倾斜以至倒塌的震害。
2.4木构架榫卯震害。榫卯是木构架连接的主要措施，研究其震害十分必要。唐山地震时，地震烈度高于9度的唐山市的刘家祠堂，山墙中柱与梁交接处榫卯拔出2cm~3cm。地震烈度为9度的天津市宁河县的天尊阁，通柱与五架梁间有裂缝。地震加速度峰值为0.2g（8度），天津市元泰安3年(1326年)建造的天后宫大殿，单檐庑殿顶木结构，南面大额枋在柱头上拔榫，殿后尾抱厦明、次间檐檩拔开[1]。地震加速度峰值为0.05g（6度），颐和园，原金朝行宫，光绪10年、29年重修建，其仁寿殿外檐穿插枋有拔榫现象，其大戏台为3层歇山卷棚顶木结构，震后金柱、檐柱间穿插枋有拔榫现象，个别斗拱压裂变形。地震加速度峰值为0.05g（6度）情况下，北京德胜门箭楼（明正统元年建，康熙18年震毁，后重建），九檩歇山顶木结构，面宽七间，进深二间，唐山震后，椽飞拔尾折断；北京的隆福寺木梁架有拔榫现象[1]。5.12汶川大地震中，根据西南交通大学对青城山道教建筑（木结构）群的调查，祖师殿真武宫有少数木柱在梁柱交叉节点附近有破损现象[2]。甘肃省文物古建筑（木结构）在5.12汶川大地震中，武威文庙尊经阁、大成殿、桂籍殿榫卯拔裂；天水市国家重点文物保护单位后街清真寺大殿部分梁架断裂。造成以上破坏现象的主要原因是，榫卯结合虽然能够承担转角弯矩，能产生微小角变位，但在较大的地震作用下，则产生过大的角变位，加之连接不强便造成榫卯拔裂等破坏。
2.5屋顶震害。这种破坏量大面宽，而且在小震情况下都比较普遍。主要表现为屋面系统的正脊、垂脊、戗脊破坏、震塌或跌落,脊兽、吻兽等震坏、跌落。地震加速度峰值为0.2g（8度），天津市，遭遇唐山地震后的情况，明正统元年(1436年)建造的孔庙大成殿，单檐歇山顶木结构，震后西侧垂脊震塌，西鸱吻震落；光绪年间建造的广东会馆门厅，布瓦硬山顶前后出廊木结构，震后东垂脊坍落，东吻兽震倒[1]。地震加速度峰值为0.1g（7度），位于唐山市遵化县的清东陵，始建于康熙2年(1663年)，其孝陵的碑楼，木结构歇山琉璃瓦顶，北坡垂脊、戗脊毁坏，明楼为木结构重檐琉璃瓦顶，上层正脊、垂脊、戗脊震塌。其隆思殿为木结构重檐琉璃瓦顶，下层东北角戗脊震落。其裕陵的明楼，木结构重檐琉璃瓦顶，上檐正脊及东正吻震坏，下檐西北角戗脊震环，部分脊兽、跑兽跌落。其定西陵的明楼，木结构重檐琉璃瓦顶，后坡垂脊震坏[1]。地震加速度峰值为0.05g（6度）的情况，遭遇唐山地震后，北京市的北海永安寺法轮殿，西北角山脊坍塌，垂兽跌落；北海善因殿，下檐琉璃檐头部分震塌，角梁塌落；正阳门的西正脊大吻震落[1]。甘肃省文物古建筑（木结构）在5.12汶川大地震中，屋脊破坏实例之一是天水秦州区玉泉观玉皇殿玉皇阁东配殿正脊断裂；实例之二是天水古民居建筑有一些屋脊被震塌，正脊和望兽被震落（照片二）。
出现这种破坏的原因在于木结构古建筑的正脊座落于脊瓜柱支撑的脊枋上，由于脊瓜柱处于悬臂状态，而角梁、由戗与金檩、檐檩、趴梁的连接相对较薄弱，致使屋面系统的结构整体性相对主体木构架明显较差，加之古建筑的屋面荷载较一般木结构民房要高，使得其屋面系统的抗震能力相对较低，在低强度地震作用时即有可能在较弱的正脊、垂脊、戗脊等部位出现震害。
2.6木柱震害。唐山地震时，地震烈度为9度的海城地区的三座清代木构架建筑文昌阁、三学寺和关帝庙，海城地震后，出现柱脚位移。云南澜沧-耿马地震中，地震加速度峰值为0.2g（8度）的耿马地区的傣族佛教寺庙缅寺一根廊柱由柱底石槽中脱出，侧移50cm[1]。地震加速度峰值为0.05g（6度）情况下，故宫（明永乐1420年建造）中重檐庑殿顶木结构，面宽七间，进深三间的神武门城楼，城台高10m，地面至楼顶总高31m，唐山地震后，后檐西半部檐柱普遍向西南移动，最大达4cm。其交泰殿为单檐四角攒尖方形木结构，震后4根金柱柱脚出现位移，最大2cm[1]。5.12汶川大地震中，西南交通大学对青城山道教建筑（木结构）群调查了单层木结构古建筑15座，其中纯阳殿为1936年修建，木柱严重倾斜、接头破坏、木梁腐朽，已严重破坏。其余14座建筑中2座建筑为局部受损较重，中等破坏。5座建筑局部受损，轻微损坏，恢复后可以使用。7座建筑基本完好，可以使用[2]。
3木结构古建筑抗震性能评估思路
3.1详细鉴定评估法。其中主要有两种方法，即法式勘查鉴定评估方法和残损情况勘查鉴定评估方法。法式勘查鉴定评估方法应对建筑物的时代特征结构特征和构造特征进行勘查鉴定评估；残损情况勘查鉴定评估方法，应对建筑物的承重结构及其相关工程损坏残缺程度与原因进行勘查鉴定评估，即用结构可靠性鉴定与抗震鉴定进行抗震性能鉴定，具体见中华人民共和国国家标准《古建筑木结构维护与加固技术规范GB50165——92》第四章的有关规定[4]。
3.2同类木结构古建筑已有震害调研比较鉴定评估法。这种方法可以作为木结构古建筑抗震性能的初步鉴定，从而作出宏观鉴定结论，适合于快速鉴定用，但要建立在对结构构件残损情况已经明确的前提下。
3.3同类木结构古建筑已有震害调研比较鉴定评估法要点
3.3.1评估基础作法。是否用三七灰土等夯筑成整体式基础的作法，这种作法能够有效地避免建筑的基础被剪切破坏，减少地震波对上部建筑的冲击[3]。
3.3.2屋顶情况评估。看是否大屋顶及足够的重量和较强的整体性。地震作用下，大屋顶及足够的重量情况下，结构可能整体移动但不会破坏。由于屋顶作法的不同，古民居建筑和大式厅堂式、殿堂式的抗震性能有所不同。
3.3.3查构架类型。如果是抬梁式，看是否有出廊，出廊式比不出廊的抗震性能要好，即是否是由比较多的多余约束以保证形成超静定结构体系。厅堂式和殿堂式抗震性能也有所不同。穿斗式抗震性能普遍较好。
3.3.4查榫卯连接做法。成熟的榫卯技术和随梁、金枋形成围合圈梁式结构不仅使木构架具有可靠的整体性，其合理的节点构造能提高整体结构的抗震性能。一般边排立柱拔榫脱出现象比较多，因此，立柱两端的联结措施要强。
3.3.5看平面布局和维护墙布置。一般的木结构古建筑平面比较规则，一般不会发生扭转。而如果平面比较复杂，地震时则产生了一定的扭转。维护墙的布置应该对称均匀。
3.2.6工艺技术。一是柱脚与柱顶石的连接构造，判断是属于嵌入基础凹槽，或基础直接搁置于石质的柱顶石表面上，以便采取措施避免柱脚位移过大，适度的滑移有助于隔震。特别是要注意屋脊、兽头、瓦片的固定技术等，是否符合抗震要求，以避免在中、低强度地震作用下的易损坏性。
参考文献:
[1]李桂荣,郭恩栋,朱敏．中国古建筑抗震性能分析[J]．地震工程与工程振动，2004，（6）：68——69．
[2]赵世春，李力，王春华等．青城山宗教建筑结构震害分析[M]．北京：中国建筑工业出版社，2008，214．
[3]谢启芳,赵鸿铁,薛建阳,门进杰,王威．汶川地震中木结构建筑震害分析与思考[J]．西安建筑科技大学学报（自然科学版），2008，（10）：658．
[4]四川省建筑科学研究院．古建筑木结构维护与加固技术规范GB50165——92[M]．北京：中国建筑工业出版社，1992，18——22．