木構(gòu)架古建筑的地震損傷特征與規(guī)律研究

袁建力，李勝才，宋 拓

（揚(yáng)州大學(xué)建筑科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225009）

引言

中國木構(gòu)架古建筑是人類文化遺產(chǎn)的重要組成部分，具有寶貴的歷史、藝術(shù)和科研價(jià)值。我國是地震多發(fā)國家，現(xiàn)存的木構(gòu)架古建筑大多遭受過地震損傷，歸納其地震損傷特征和規(guī)律，制訂相應(yīng)的防震減災(zāi)規(guī)劃，是文化遺產(chǎn)保護(hù)的重要舉措。

唐山大地震之后，中國建筑科學(xué)研究院、中國地震局工程力學(xué)研究所對包括古建筑在內(nèi)的各類工程進(jìn)行了震害資料收集和震害特征分析［1－4］；汶川特大地震、蘆山地震之后，四川省文物管理局、四川省文物考古研究院以及一批熱衷于文物保護(hù)的高校，積極開展古建筑震害狀況的調(diào)查和分析工作，匯集了更為豐富的古建筑震害資料［5－13］。文獻(xiàn)［4，10－12］按照古建筑的震害程度，提出了震害分類或等級(jí)劃分的方法；文獻(xiàn)［3，6－13］還針對古建筑的震害特征，提出了抗震加固的建議。由于上述文獻(xiàn)資料涉及的古建筑類型較多，且基本為一次地震的震害案例，難于對木構(gòu)架古建筑的震害規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的研究。文中對唐山地震、汶川地震、蘆山地震中木構(gòu)架古建筑的震害資料進(jìn)行了梳理和補(bǔ)充，采用分類歸納和統(tǒng)計(jì)分析方法，核定地震烈度、震害程度等關(guān)鍵指標(biāo)，研究地震損傷特征和規(guī)律，并參照我國現(xiàn)行抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，建立木構(gòu)架古建筑震害程度與地震烈度的表述關(guān)系，為制訂相應(yīng)的防震減災(zāi)規(guī)劃提供基本依據(jù)。

1 木構(gòu)架古建筑的震害統(tǒng)計(jì)

木構(gòu)架古建筑通常由臺(tái)基、木構(gòu)架、墻體和屋頂4 部分組成，木構(gòu)架為主要承重體系。進(jìn)行地震資料分析時(shí)，宜將臺(tái)基、墻體和屋頂?shù)恼鸷w并，以突出考察木構(gòu)架的震害；此外，為了評定木構(gòu)架古建筑的整體震害程度，可根據(jù)各組成部分的震害狀況分為以下4個(gè)等級(jí)。

（1）輕度破壞：臺(tái)基開裂；墻體開裂；屋脊開裂，飾件少量跌落，瓦片少量滑落；木構(gòu)架榫卯松脫，個(gè)別柱腳位移。

（2）中度破壞：臺(tái)基破裂；墻體嚴(yán)重開裂或局部歪閃；屋脊破碎，飾件跌落，瓦片局部滑落；木構(gòu)架榫卯拔出，部分柱腳位移或個(gè)別構(gòu)架傾斜。

（3）嚴(yán)重破壞：臺(tái)基破碎或局部沉降；墻體破碎、歪閃或局部倒塌；屋面局部坍塌，瓦片大面積滑落；木構(gòu)架榫卯折斷，柱腳大幅度位移，大部分構(gòu)架傾斜。

（4）完全破壞：臺(tái)基嚴(yán)重沉降或垮塌；墻體大部分倒塌；屋頂整體塌落；木構(gòu)架部分倒塌或全部倒塌。

1.1 唐山地震震害統(tǒng)計(jì)

1976年7月28日3 時(shí)42 分，中國河北省唐山豐南一帶發(fā)生了里氏7.8 級(jí)強(qiáng)烈地震，震中烈度Ⅺ度，震源深度12～16 km。這是我國歷史上一次罕見的城市地震災(zāi)害，北京和天津市受到嚴(yán)重波及，地震破壞范圍超過3萬km2，震中區(qū)域的房屋大部分倒塌，造成約24.2萬人死亡、16.4萬人重傷。由中國地震局發(fā)布的唐山地震烈度分布圖見圖1。

圖1 唐山地震烈度分布圖Fig.1 Intensity distribution of Tangshan earthquake

唐山地震的震級(jí)大、震源淺、烈度高，對建筑物的損害非常嚴(yán)重。震區(qū)的民用磚木結(jié)構(gòu)房屋，在6～7 度區(qū)已發(fā)生明顯的損壞，在8度、9度及以上的高烈度區(qū)大多數(shù)嚴(yán)重破壞、倒塌。相對而言，木構(gòu)架古建筑的總體地震損傷程度略輕，倒塌數(shù)量較少；但在6 度區(qū)已有較多古建筑發(fā)生損壞，在高烈度區(qū)也有一些年久失修的古建筑遭到嚴(yán)重破壞或倒塌。唐山地震木構(gòu)架古建筑的震害情況如表1所示。

表1 唐山地震木構(gòu)架古建筑震害Table 1 Seismic damage of ancient timber frame buildings in Tangshan earthquake

續(xù)表

1.2 汶川地震震害統(tǒng)計(jì)

2008年5月12日14 時(shí)28 分，在四川省阿壩藏族羌族自治州一帶發(fā)生了里氏8.0 級(jí)特大地震，震中汶川縣的地震烈度達(dá)到Ⅺ度。地震波及大半個(gè)中國，地震破壞范圍超過10 萬km2，共造成6.9 萬人死亡、1.8 萬人失蹤、37.5萬人受傷，是唐山大地震后傷亡最嚴(yán)重的一次地震。由中國地震局發(fā)布的汶川地震烈度分布圖見圖2。

圖2 汶川地震烈度分布圖Fig.2 Intensity distribution of Wenchuan earthquake

汶川地震不僅給人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，也使許多珍貴文化遺產(chǎn)受到嚴(yán)重?fù)p毀，而處于震中的四川地區(qū)尤為嚴(yán)重。據(jù)四川省文物局2008年6月底統(tǒng)計(jì)，在此次地震中，有83處全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位受損，占總數(shù)的65%；174處省級(jí)文保護(hù)單位受損，約占總數(shù)的30%；還有803處市、縣級(jí)文物保護(hù)單位有不同程度損壞，約占總數(shù)的27%。汶川地震中全國和省級(jí)文物保護(hù)單位中木構(gòu)架古建筑的震害情況如表2所示。

表2 汶川地震四川木構(gòu)架古建筑震害Table 2 Seismic damage of ancient timber frame buildings in Wenchuan earthquake

續(xù)表

續(xù)表

1.3 蘆山地震震害統(tǒng)計(jì)

2013年4月20日8時(shí)02分四川省雅安市蘆山縣發(fā)生里氏7.0級(jí)地震，震源深度13 km，震中烈度Ⅸ度，震中蘆山縣龍門鄉(xiāng)99%以上房屋垮塌，成都、重慶及陜西部分地區(qū)均有較強(qiáng)震感，受災(zāi)面積12 500 km2。據(jù)中國地震局網(wǎng)站消息，截至24日14時(shí)30分，地震共計(jì)造成196人死亡、失蹤21人、11 470人受傷。由中國地震局發(fā)布的蘆山地震烈度分布圖見圖3。

圖3 蘆山地震烈度分布圖Fig.3 Intensity distribution of Lushan earthquake

蘆山地震中文化遺產(chǎn)也遭受了重創(chuàng)。根據(jù)國家減災(zāi)委公布的《四川蘆山“4·20”強(qiáng)烈地震災(zāi)害評估報(bào)告》，地震災(zāi)區(qū)中共有24 處全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位，78 處省級(jí)文物保護(hù)單位，157 處市縣級(jí)文物保護(hù)單位不同程度受損；而處于震中的雅安地區(qū)尤為嚴(yán)重。蘆山地震中全國和省級(jí)文物保護(hù)單位中木構(gòu)架古建筑的震害情況如表3所示。

表3 蘆山地震四川木構(gòu)架古建筑震害Table 3 Seismic damage of ancient timber frame buildings in Lushan earthquake

續(xù)表

2 木構(gòu)架古建筑的典型震害

2.1 木構(gòu)架震害

木構(gòu)架為梁柱排架結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕、剛度小，在地震時(shí)吸收的沖擊能量較小，損傷程度一般較輕；且梁柱的節(jié)點(diǎn)采用榫卯結(jié)合，具有較好的轉(zhuǎn)動(dòng)耗能作用，可避免構(gòu)架發(fā)生脆性破壞。

木構(gòu)架在低烈度區(qū)的震害主要為節(jié)點(diǎn)拔榫、柱腳滑移，在高烈度區(qū)會(huì)發(fā)生榫卯?dāng)嗔?、?gòu)架傾斜等嚴(yán)重震害；一些年久失修或構(gòu)造有缺陷的木構(gòu)架，在強(qiáng)烈地震作用下也會(huì)倒塌，如唐山大地震中，位于豐南縣10 度區(qū)一座古廟的木構(gòu)架全部倒塌（圖4）。

圖4 豐南古廟木構(gòu)架倒塌［1］Fig.4 Collapsed timber frame in Fengnan Temple［1］

2.2 圍護(hù)墻震害

木構(gòu)架古建筑圍護(hù)墻的質(zhì)量和剛度均較大，在地震時(shí)吸收了建筑中較大部分沖擊能量，其損壞程度通常比木構(gòu)架嚴(yán)重。

圍護(hù)墻的震害主要為墻體開裂、歪閃，嚴(yán)重時(shí)破碎或倒塌；在汶川地震中，位于烈度8度區(qū)的四川平武報(bào)恩寺天王殿、大雄寶殿墻體歪閃，轉(zhuǎn)輪藏殿山墻垮塌（圖5）。

圖5 平武報(bào)恩寺山墻垮塌［5］Fig.5 Collapsed gable of Pingwu Baoen Temple［5］

2.3 屋頂震害

屋頂位于木構(gòu)架古建筑的頂部，在地震中位移、變形較大，容易發(fā)生屋脊斷裂、飾件跌落和瓦片滑落震害，嚴(yán)重時(shí)屋蓋局部或整體塌落。

唐山地震中，位于豐南縣10 度區(qū)的一座古廟，因年久失修、構(gòu)架破損，在強(qiáng)烈地震作用下屋頂被拋出臺(tái)基之外（圖6）。

圖6 豐南古廟屋頂拋落［1］Fig.6 Falling roof in Fengnan Temple［1］

2.4 地基震害

地震導(dǎo)致的地基滑坡，常使古建筑臺(tái)基嚴(yán)重?fù)p壞、上部結(jié)構(gòu)倒塌。

汶川地震中，一些位于高烈度區(qū)不利地段的古建筑，因山體滑坡、地基失效而嚴(yán)重破壞；如都江堰二王廟古建筑群，較多建筑的臺(tái)基破壞、木構(gòu)架傾斜、墻體和屋頂坍塌；建造在綿陽竇圃山頂?shù)脑茙r寺，由于山體滑坡，殿堂大部分破壞，竇真殿全部垮塌（圖7）。

圖7 云巖寺竇真殿垮塌［5］Fig.7 Collapsed Douzhen Hall of Yunyan Temple［5］

3 木構(gòu)架古建筑的震損規(guī)律

3.1 地震損傷的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1～表3 的震害資料以及地震損傷程度的評定，可統(tǒng)計(jì)出木構(gòu)架古建筑在地震烈度6 度、7 度、8度、9度及以上區(qū)域中，各級(jí)損傷程度數(shù)量和所占比例，見表4。

表4 木構(gòu)架古建筑在三大地震中的損傷數(shù)量與所占比例Table 4 Damage quantity and proportion of ancient timber frame buildings in three major earthquakes

3.2 地震損傷的一般規(guī)律

參照《中國地震烈度表》（GB/T 17742－2020）［14］數(shù)量詞的界定方法，建筑物損傷數(shù)量所占比例的定義為：（1）“個(gè)別”為10%以下；（2）“少數(shù)”為10%～45%；（3）“多數(shù)”為40%～70%；（4）“大多數(shù)”為60%～90%；（5）“絕大多數(shù)”為80%以上。則由表4中的比值，可對木構(gòu)架古建筑地震損傷的一般規(guī)律表述如下：

（1）6度區(qū)：木構(gòu)架古建筑大多數(shù)輕度破壞，少數(shù)中度破壞，個(gè)別嚴(yán)重破壞；

（2）7度區(qū)：木構(gòu)架古建筑多數(shù)中度破壞，少數(shù)輕度破壞，少數(shù)嚴(yán)重破壞；

（3）8度區(qū)：木構(gòu)架古建筑多數(shù)嚴(yán)重破壞，少數(shù)輕度破壞，少數(shù)中度破壞；

（4）9度及以上區(qū)域：木構(gòu)架古建筑大多數(shù)嚴(yán)重破壞，少數(shù)中度破壞，少數(shù)完全破壞。

4 木構(gòu)架古建筑的抗震對策

通過對唐山地震、汶川地震、蘆山地震的震害資料分析可知，木構(gòu)架古建筑在地震作用下的損傷特征較為明顯，表現(xiàn)為低烈度下的易損性、高烈度下的抗倒性和地基失效的毀壞性；針對這些震害特征，可提出相應(yīng)的抗震鑒定和加固的對策。

4.1 改善低烈度下的易損性

木構(gòu)架古建筑在低烈度下就出現(xiàn)了較為明顯的損傷狀況，震害主要為墻體開裂、屋頂滑瓦、飾件跌落、木構(gòu)架榫卯松脫、柱腳位移等。從總體上看，木構(gòu)架古建筑在低烈度區(qū)的震害程度尚不嚴(yán)重，但損傷較為普遍且數(shù)量眾多（見表4）；一些構(gòu)造不合理或年久失修的建筑也會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的損傷和變形，對建筑和人員的安全產(chǎn)生不利的影響。

木構(gòu)架古建筑在低烈度下的易損性，與墻體、屋頂、木構(gòu)架的構(gòu)造及制作質(zhì)量密切相關(guān)，也與修繕保護(hù)程度有直接的關(guān)系，需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行控制。對位于抗震設(shè)防6度、7度區(qū)的木構(gòu)架古建筑，應(yīng)以構(gòu)造和制作質(zhì)量為主，結(jié)合修繕保護(hù)狀況進(jìn)行抗震鑒定，提出相應(yīng)的修繕加固措施，改善其易損性；對位于7度區(qū)的建造年代久遠(yuǎn)、構(gòu)造有缺陷以及保護(hù)狀況較差的古建筑，尚需進(jìn)行抗震能力驗(yàn)算，提出結(jié)構(gòu)加固的方案。

4.2 提升高烈度下的抗倒性

木構(gòu)架古建筑在8度及以上高烈度區(qū)大多遭受了較為嚴(yán)重的損壞，且震害隨著烈度的增大而明顯加劇，墻體破碎倒塌、屋頂坍塌、木構(gòu)架傾斜等震害均有發(fā)生。但是，在9度及以上區(qū)域內(nèi)的木構(gòu)架古建筑，除了因山體滑坡、地基失效或年久失修而導(dǎo)致建筑整體倒塌的情況外，尚有不少“墻倒屋不塌”的實(shí)例，表現(xiàn)出良好的抗倒塌性能。如汶川地震中位于9度區(qū)的大多數(shù)木構(gòu)架古建筑，在墻體和屋頂垮塌的情況下，木構(gòu)架仍未倒塌（見表2）。

木構(gòu)架古建筑在高烈度下的抗倒性，與木構(gòu)架的結(jié)構(gòu)構(gòu)造密切相關(guān)，其榫卯的有效拉接、斗栱的摩擦耗能以及屋蓋的整體結(jié)合，是保持木構(gòu)架在強(qiáng)烈地震作用下“晃而不倒”的關(guān)鍵因素。此外，經(jīng)過抗震加固的木構(gòu)架古建筑，再次遭遇強(qiáng)烈地震襲擊時(shí)，大都顯示了較好的抗倒塌性能，保證了建筑和人員的安全；如蘆山地震中位于8 度區(qū)的平襄樓、位于9 度區(qū)的青龍寺大殿（見表3）在汶川地震后進(jìn)行了抗震加固，結(jié)構(gòu)抗震性能有效提升，蘆山地震時(shí)再次經(jīng)受了強(qiáng)震考驗(yàn)，整體結(jié)構(gòu)安然屹立，保證了建筑和人員的安全。

由于木構(gòu)架古建筑在高烈度區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重的震害，將危及建筑和人員的安全；對位于抗震設(shè)防8度、9度區(qū)的古建筑，均應(yīng)進(jìn)行抗震構(gòu)造鑒定和抗震能力驗(yàn)算，提出結(jié)構(gòu)和構(gòu)造加固的方案，以提升其抗倒塌性能；對位于9度區(qū)的古建筑，尚應(yīng)進(jìn)行木構(gòu)架抗倒塌驗(yàn)算［15］，并采取合適的加固措施，以確保木構(gòu)架“大震不倒”。

4.3 消除地基失效的毀壞性

地震造成的地基失效，輕則導(dǎo)致古建筑的墻體倒塌、木構(gòu)架傾斜，重則導(dǎo)致古建筑的整體垮塌，是位于抗震不利地段的古建筑最易發(fā)生的震害；在汶川地震中，一些位于山頂、坡地上的木構(gòu)架古建筑，均因山體滑坡、地基失效而嚴(yán)重受損或破壞（見表2）。

鑒于地基失效對建筑和人員的嚴(yán)重危害性，首先要對地震時(shí)可能發(fā)生塌方、滑坡或沉陷的地段進(jìn)行鑒定，確定是否為不利地段或危險(xiǎn)地段，并提出確實(shí)的防護(hù)和加固措施，以消除地基失效的根源；在保證地基穩(wěn)定可靠后，再對木構(gòu)架古建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震鑒定或抗震能力驗(yàn)算。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)唐山地震、汶川地震、蘆山地震的震害資料統(tǒng)計(jì)分析可知，木構(gòu)架古建筑的震損程度隨著地震烈度的增大趨于嚴(yán)重，且兩者之間具有較為直接的對應(yīng)關(guān)系；按照本文提供的地震損傷程度分級(jí)方法和《中國地震烈度表》（GB/T 17742－2020）的相關(guān)指標(biāo)，可較好地表述木構(gòu)架古建筑在各級(jí)地震烈度下的損傷程度和一般規(guī)律。

木構(gòu)架古建筑的震害特征可歸納為低烈度下的易損性、高烈度下的抗倒性和地基失效的毀壞性；這些特征與木構(gòu)架古建筑的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、制作質(zhì)量和維護(hù)狀況密切相關(guān)，也取決于古建筑所在場地的穩(wěn)定狀況；對木構(gòu)架古建筑進(jìn)行有針對性的抗震鑒定并按照文物保護(hù)原則采取合理的加固措施，可有效地改善其易損性、提高其抗倒性、消除地基失效的隱患，實(shí)現(xiàn)防災(zāi)減災(zāi)的目標(biāo)。

我國是地震多發(fā)國家，現(xiàn)存木構(gòu)架古建筑遭受地震損壞的數(shù)量眾多，但目前所獲得的震害資料主要源自大地震中受損的國家和省級(jí)文物保護(hù)單位，尚不包括數(shù)量較多的市縣級(jí)文物保護(hù)單位。目前，國家文物主管部門正在組織編寫《古建筑結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》，準(zhǔn)備充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立各級(jí)古建筑的地震災(zāi)害檢測和信息系統(tǒng)，及時(shí)全面地收集地震災(zāi)害資料；這一舉措將進(jìn)一步提高木構(gòu)架古建筑地震損傷評價(jià)的科學(xué)性，有利于古建筑抗震規(guī)劃和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的合理制定。