中国木结构古塔与抗震分析

文章编号:1009 6825(2006)19 0004 02

中国木结构古塔与抗震分析

收稿日期:2006 04 14

作者简介:李军强(1964 ),男,博士,副教授,西安石油大学土木工程系,陕西西安 710065

李军强

摘 要:通过大量文献的调研分析,总结了中国几个著名的木结构古塔的来源、形制和基本构造,分析、归纳了中国木结

构古塔的抗震特点和所蕴含的抗震思想,探讨了其千年不倒的抗震机理。关键词:木结构,古塔,抗震中图分类号:T U 366.2

文献标识码:A

中国古建筑是中华文化的重要组成部分,是我国乃至世界人民的宝贵财富,它集历史性、艺术性、科学性于一身,代表了古代先贤的科技发展水平,具有很大的文物价值和观赏价值[1]。我国各地至今仍保存着一批有千年左右历史的建筑,经多次地震仍巍然耸立。我国古代建筑能有几百、上千年的寿命,足以说明其具有良好的抗震性能。通过大量文献的调研分析,介绍了现存的几个中国木结构古塔的结构特点,探讨了其抗震机理和性能,可以用来指导、启迪对现代建筑抗震设计的认识。在中国的建筑历史中,木结构在很长一段历史时期都是建筑的主要结构形式。以木料为主材,就地取材,工艺简便,安全耐久。由于重量减轻,柔性增强,所以有卓越的抗震性能。但是木结构容易糟朽、虫蛀,容易燃烧,所以现在保存的年代久远的古代木结构建筑数量不多。

1 几个著名的木结构古塔1.1 西安钟楼

[2,3]

西安钟楼,坐落在西安市中心东西南北四条大街的交汇点上。始建于明洪武十七年(公元1384年),原址在今西大街广济

街口,明万历十年(公元1582年)移于现址。楼上的大圆金顶,高5m,外贴黄金箔,在阳光照耀下,显得金光灿烂,使这座古建筑散发出金碧辉煌的独特魅力。

在钟楼的西北角,陈列着一口明代的大古钟,昔日用于报警报时,故名 钟楼 。它有5t 多重,古钟的边上铸有八卦图案,全国各地的游人,都可以在这里击鼓娱乐,享受旅游观光的乐趣。据历史记载,西安地区自1582年以来,共经历了4次4级以上较大地震,钟楼结构表现出了较好的抗震能力。

钟楼的建筑面积为1377.6m 2,整体以砖木结构为主,自地面至宝顶通高36m 。从下至上依次有基座、楼体及宝顶三部分组成。基座为正方形,边长35.5m,高8.5m,用青砖砌成。基座四面正中各有高宽均为6m 的卷形门洞,与东西南北四条大街相通。

钟楼楼体为木质结构,高27.4m,楼为二层,平面方形。每层四角均有明柱回廊、彩枋细窗及雕花门扇。屋檐四角飞翘,如鸟展翅,由各种中国古典动物走兽图案组成的兽吻在琉璃瓦屋面的衬托下,给人以形式古朴、艺术典雅、色彩华丽、层次分明之美感。钟楼主体属穿斗式木结构,主要由中心4根、周围12根圆柱承重,柱下端通过柱脚石搁在砖土基础上,上端则分别延伸到各自对应的屋顶处。圆柱之间由具有较大高跨比的梁连接,梁与柱榫头结合。

在传力方面,钟楼结构无论从局部还是从整体看,都非常优秀。就局部而言,主要是斗拱的运用。中国古建筑中的斗拱形式

多样,不仅对整个建筑物的造型起到了极好的装饰作用,而且从

力学的角度看,通过斗拱逐渐地将上部荷载集中于柱上,较之采用柱支承一根梁的简单形式要有利得多。并且当地震发生时,通过多重斗拱之间的磨合与变形,可吸收相当的地震能量,从而可防止主体结构的较大破坏。

1.2 应县木塔

[4,5]

应县木塔在山西省应县,建于辽代清宁二年(公元1056年),是我国现今绝无仅有的最古老最高大的重楼式木结构塔。它建在应县城佛宫寺的山门内,原名佛宫寺释迦塔,俗称应县木塔。它不仅是中国古代建筑中唯一的孤例,且在世界建筑史上也是稀有的杰作。木塔自建造至今已有900多年历史,长期经受风雨侵蚀,并曾遭受军阀炮击以及8次强烈地震,虽有轻微倾斜,仍巍然屹立。实践证明,它是建筑结构与使用功能设计合理以及造型艺术的典范之作,是中国古代建筑史上的一大奇迹,在世界上也是绝无仅有的。

应县木塔建在4m 高的两层石砌台基上,顾名思义,木塔是全部用木材建成的。木塔通高67.13m,相当于现代23层的高层建筑。底层直径为30m,平面为八角形,五层六檐。外观是五层,但是塔内夹有暗层四级,实为九层,每层随塔身内外设柱子两周。塔内的木结构柱梁斗拱,纵横参差,不用一钉。塔内各层,使用了中国传统的斜撑、梁枋和短柱等建筑方法,对塔的整体刚度有很大改善,使整个塔连成一个整体,既坚固,又壮观。据测,建筑该塔实用木材3500m 3以上,重达3000t 左右。

木塔采用内外两槽立柱,构成双层套筒式结构,柱头间有阑额和普柏枋,柱脚间有地伏等水平构件,内外槽之间有梁枋相连接,使双层套筒紧密结合。暗层中用大量斜撑,结构上起圈梁作用,加强木塔结构的整体性。塔建成三百多年至元顺帝时,曾经历大地震七日,仍巍然不动。塔内明层都有塑像,头层释迦佛高大肃穆,顶部穹窿藻井给人以天高莫测的感觉。头层内槽壁面有六尊如来画像,比例适度,色彩鲜艳;六尊如来顶部两侧的飞天,更是活泼丰满,神采奕奕,是壁画中少见的佳作。二层由于八面来光,一主佛、两位菩萨和两位胁从排列,姿态生动。三层塑四方佛,面向四方。五层塑释迦坐像于中央、八大菩萨分坐八方。利用塔心无暗层的高大空间布置塑像,以增强佛像的庄严,是建筑结构与使用功能设计合理的典范。近年来在整修塑像时,发现一批辽代写经、刻经和木板套色绢质佛像画等珍贵文物,在进一步研究辽代的政治、经济、文化、宗教活动等方面具有重要意义。

应县木塔的设计,大胆继承了汉、唐以来富有民族特点的重楼形式,充分利用传统建筑技巧,广泛采用斗拱结构,全塔共用斗拱60余种,每个斗拱都有一定的组合形式,有的将梁、坊、柱结成

!

4!第32卷第19期2006年10月 山西建筑SHANXI ARCH IT ECTURE

Vol.32No.19Oct. 2006

一个整体,每层都形成了一个八边形中空结构层。设计科学严密,构造完美,巧夺天工,是一座既有民族风格、民族特点,又符合

宗教要求的建筑,在我国古代建筑艺术中可以说达到了最高水平,即使现在也有较高的研究价值。

2 木结构古塔抗震分析

一般而言,木结构古塔结构类似于今天的框架结构。木结构建筑具有良好的抗震性能,这主要是由其结构方面具有如下几个优势决定的[1,3,6]。

2.1 平、立面布置规则、简单、对称

中国古代建筑工匠常常巧妙地选择合理的几何平面和简单的体型,一般对称规整,结构质量中心与刚度中心在纵横两个方向相互重合,加之结构整体性较好,减小了地震所引起的扭转效应,从而可大大减轻震害。这也是现代建筑概念设计的一条重要原则。现存的古代建筑物,平面和体型大多是规则、简单、对称,包括建筑物内部的配置,也尽量避免内部的刚度与质量的不均匀,以防止刚度与质量中心的偏离。如单座建筑中,绝大多数殿堂和楼阁是并不太狭隘的矩形,塔、亭和部分楼阁是正方形、正六角形或正八角形,也有圆形的,只是园林建筑中才使用较为变化的平面。在规整的平面外廊中,也很注意均匀对称。同样单座建筑体型也并不太过于复杂,只是在屋顶形式上加以变化,而且这种简单的平面体型并不会给人以单调的感觉。

2.2 基础选择适当

木结构的主要构架直接置于方形塔基基础之上,上部建筑与基础分成两个部分,具有良好的减震效果。

2.3 砖木混合使用

古建木结构一般采用木构架承重,砖墙填充,砖墙与木柱之间留有空隙,一可通气防腐,二可减小结构刚度,降低地震作用。

并且由于结构周期较长,阻尼大,结构自振频率与地基自振频率相差较大,因而不会产生共振现象。

2.4 构架制 设计,柱网布局

从现存的木结构古建筑可以看出,古代的阑额与柱子、普柏枋之间用榫卯结合紧密,能够起到圈梁的作用。这种 构架制 的设计原理在现代高层建筑中依然广泛应用。这种 构架制 原则,以立柱和纵横梁枋组合成各种形式的梁架,使建筑物上部荷载经由梁架、立柱传递至基础。墙壁只起围护、分隔的作用,不承受荷载。

2.5 榫卯巧妙应用

古建木结构一般梁柱采用榫卯连接,其在单向水平加荷之

初,节点约束弯矩很小,与铰接相当。随着水平荷载加大,榫卯才

开始承受一定的约束弯矩,并伴有相当的挤压变形与拔出滑移。

在地震反复荷载作用下,梁柱榫卯连接处通过摩擦滑移与挤压变

形耗能,而柱底转动滑移减震,形成良好的隔震消能结构体系,相

当于在节点处安装了阻尼器,减小了结构的地震响应,房屋将发

生左右摇晃而不会倒塌。

燕尾榫结构,可以承受拉、压两个方向的力。直榫结构的梁能承受极限荷载内的压力,但由于它仅仅是插入柱子中部的矩形孔中,所以它所能承受的拉力只是榫头与柱子上榫孔之间的最大摩擦力。当拉力超过最大摩擦力时,榫头与柱将产生相对位移,其结果是导致结构构件之间出现很大的相对变形,这种变形一方面改变了结构的整体性,另一方面也调整了结构的内力分配。这种结构的另一个可取之处是在地震等动力荷载作用下,由此导致的结构松动和构件之间的摩擦吸收了相当部分的能量,从而提高了结构的抗震能力。

2.6 斗拱以柔克刚

古建木结构檐口多设斗拱,这不仅可以扩大屋梁在节点处的支承面积,减少局部应力,还可以利用杠杆原理平衡檐口外挑重量,并可提高节点相连处的抗剪能力。斗拱是纵横构件的弹性节点,好似一个弹簧,在一定范围内可以起到以柔克刚的作用。如遇地震,柔性结构虽然摇晃厉害,但能恢复原状,能抗御强烈的地震力。斗拱的应用,使各种构件的刚度达到比较均匀的分布,增强了建筑的抗震能力。用纵横相叠的短木和斗形方木相叠而成的向外挑悬的斗拱,本是立柱和横梁间的过渡构件,却逐渐发展成为上下层柱网之间或柱网与屋顶梁架之间的整体构造层,这是中间古代木结构构造的巧妙形式。

木结构古塔结构也有其自身的缺陷,如榫卯节点对构件截面削弱较多,榫卯结合容易拔出、撕裂,木构件容易糟朽、虫蛀等,这些也应予足够重视。

3 结语

我国是一个土地辽阔,历史悠久,具有丰富文化传统的文明古国。其中古代建筑技术在长期的发展过程中取得了辉煌的成就。仅从抗震角度分析,就包括了材料学、结构力学、土力学等许多知识。应该认真分析研究中国古代建筑的抗震性能,总结、发扬光大古代建筑结构中的科学性,用以借鉴指导现代建筑的抗震设计。参考文献:

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安建筑科技大学学报,2000,32(1):8 11.[2]赵新亚,刘 扬.西安钟楼[J].城建档案,2002(6):46.

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[4]卜德清,唐子颖,刘培善.中国古代建筑与现代建筑[M ].天

津:天津大学出版社,2001.60 70.[5]于悼云,周苏琴.中国古建筑抗震性能初探[J].故宫博物院院

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[6]张鹏程,赵鸿铁,薛建阳.中国古建筑的防震思想[J].世界地

震工程,2001,17(4):1 6.

Ancient Chinese timberwork tower and its aseismic analysis

LI Jun qiang

Abstract:T hr ough analysi s on lots of literatures,the autho r summarizes the sour ce,form and basic structur e of several noticed ancient timber w ork tow er in China,analyzes their aseismic char acters and asei smic thoughts,and discusses their asei smic mechanism.Key words:timberwork,ancient tower,earthquake proof

!

5!

第32卷第19期

2006年10月

李军强:中国木结构古塔与抗震分析