单檐歇山式木构古建抵抗极端烈度地震试验现象

（本文节选于《单檐歇山式木构古建抵抗极端烈度地震试验调查研究》，该文载于《文物保护与考古科学》2020年第2期）

受英国雄狮电视台委托，作者以故宫某单檐歇山式木构古建为原型，制作了包含浮放柱础、柱架、(五踩)斗拱、歇山屋顶、墙体等明清官式木构古建所具备的所有构造的模型，测试强震作用下中国明清官式木构古建抗倒塌能力。本试验仅探讨中国官式木构古建究竟在何种地震烈度作用下倒塌(抵抗极端强震的能力)，因此采取逐级增强地震波烈度的试验方法。即地震波强度从PGA=0.1g(x向，烈度比x:y=0.85:1)起，按0.05g逐渐增加强度，直至模型倒塌(实际上由于作动器能力限制，地震波烈度最终加载到约PGA=1.5g)。试验现象显示，无论在何种地震烈度作用下，模型的大木构架均能保持近似稳定的振动状态。下面结合视频及照片资料，对强震(PGA=1.5g为主)作用下，模型各构造的试验现象进行具体说明及分析。

1、柱底

柱底在地震作用下的运动形式表现为摇摆为主，摩擦滑移为辅。其摇摆运动表现为柱底与柱顶石之间的相对“开合”运动，但柱底始终与柱顶石接触，其接触面积由大到小，不断反复运动。地震结束后，柱底基本复位，但与初始位置有少许偏差。柱底在柱顶石上的摩擦滑移很不明显，表现为地震作用下，柱底绕柱顶石摇摆过程中，二者构件之间由于挤压及水平外力作用而产生的相对错动。地震作用下柱底运动的视频截图如图1所示。

图1  柱底运动视频截图

分析认为，柱底作上述运动的主要原因与柱底—柱顶石之间的构造相关。在故宫官式大木结构古建做法中，柱底与柱顶石的连接构造为平摆浮搁关系。支撑大木构架柱子的柱顶石固定在地面，其上表面为平滑，见图2(a)。柱子立在柱顶石上后，与柱顶石形成平摆浮搁连接构造，见图2(b)。这种构造不仅避免了柱底插入地下造成的糟朽问题，而且有利于对地震作用产生“卸力”效果，即地震力由柱顶石向上传递时，由于柱底和柱顶石的平摆浮搁连接方式（有很强的转动能力且水平约束力很小），其在柱底位置产生的弯矩和剪力很小，避免了柱底产生折断。同时，地震作用下，柱底与柱顶石之间的少许摩擦滑移，还可耗散部分地震能量。

(a) 柱顶石

     (b) 柱底安装后

图2  柱底与柱顶石的连接构造

2 柱架

柱架即柱与额枋组成的框架体系。在地震作用下，柱架产生摆动，且随着地震作用增强而表现明显。各柱架基本保持同步摆动，方向一致。这种摆动表现为柱架整体在水平面内的摇摆，但没有产生扭转。其原因在于柱底与柱顶石之间的水平向相对无约束状态，使得柱架犹如一个刚体表现为水平面内往复运动。地震作用下柱架运动的试验视频截图如图3虚线部分所示。

图3  柱架摇摆视频截图

    分析认为，柱架的运动状态与柱架构造密切相关。其一，柱架的柱底平摆浮搁在柱顶石上，使得水平地震作用下，柱底可产生相对自由的运动，柱底位置的内力也很小，不会在该位置产生破坏。其二，柱顶与水平额枋采用榫卯接点形式连接，即柱顶做成卯口形式，而水平额枋端部则做成榫头形式，插入卯口中。另水平额枋由大额枋、小额枋、（由额）垫板做成叠加构件体系，见图4，节点整体截面尺寸较大，这无疑增加了榫卯节点的转动能力，减小了榫头在地震作用下产生挤压破坏的可能性。上述两种构造特征使得柱架成为一个近似运动体系，并通过摇摆隔震、摩擦挤压耗能来减小自身的破坏。

图4  柱架的柱与额枋照片

3 斗拱

强震作用下， 坐斗下部的平板枋随柱架摇摆，且在地震强度增大时，有局部分离大额枋顶部的迹象，但随着柱架复位而很快恢复到初始位置。对于斗拱分层构件而言，上下各分层构件随着柱架做近似一致的往复摆动（水平面内），斗拱构件之间的相对运动不明显。斗拱层犹如一个整体，随着柱架一起往复摇摆，其摆动幅度并不剧烈，见图5，可反映传到斗拱层的地震力并不大。

图5  斗拱运动视频截图

分析认为，斗拱在强震作用下的运动特性与其构造特征及木材材性密切相关。从构造上讲，尽管斗拱由众多细小构件组成，但是这些构件分层有序，搭接牢固。其中，上下层构件通过暗销连接，同一层构件通过搭扣相接（后文震害分析部分有图示说明）。这种连接方式使得斗拱为一个较为牢固的组合体。同时，木材弹性模量较小，使得斗拱各分层构件之间有较好的弹性变形及恢复能力。另斗拱的最下层构件即坐斗是通过暗销固定在平板枋上，而平板枋则为平摆浮搁在大额枋上，3种构件位置关系的照片见图6所示。

(1-坐斗；2-平板枋；3-大额枋)

图6  斗拱底部的主要构件

4 屋顶

屋顶主要包括梁架、望板、椽子及瓦面。强震作用下，屋顶做平面内的摆动，并有轻微幅度的平面扭转。屋顶质量占整个木构架质量的80%左右，这对下部木构架的运动起到主导作用。屋顶各组成部分的运动保持近似同步，犹如一个整体(刚体)产生运动。整个试验过程中，梁架部位未见有明显挤压声或开裂声，各构件做近似同步运动，幅度轻微，可反映梁架部位受到的地震力较小；最顶层瓦面未见瓦件松动或掉落，瓦顶与梁架同步运动，可反映瓦件受到的地震力较小。强震作用下模型屋顶试验照片如图7所示。

图7  屋顶运动照片

分析认为，强震作用下屋顶的运动状态与木构架连接构造相关。其一，平摆浮搁柱底、榫卯连接及斗拱的构造均能在一定程度上削弱地震力，这使得传到屋顶部位的地震力进一步减小。其二，对于屋顶木构架本身构造而言，其梁架各构件之间通过搭扣相连接；梁架上部为椽子，椽子用钉子固定在梁架顶部；椽子上部则是望板，望板亦用钉子固定在椽子上；上述不同构件的连接关系见图8。这种结构使屋面结构成为整体性很强的“曲面板”，整体刚性很大，在地震作用下很难产生破坏。其三，屋面板之上是分层泥背及瓦件，各瓦件与铺瓦泥之间有较好的粘接力，足以抵抗地震破坏。其四，模型屋顶质量较大，这虽然增加地震时的惯性力，但它同时可以增强斗拱的竖向减震能力、柱底的抗滑移能力及榫卯节点的咬合力，保证了结构的整体性及稳定性。另本研究中的屋顶在地震作用下产生轻微的扭摆，其主要原因与歇山建筑屋顶形式有关。歇山屋顶质量分布不一致，前后坡质量较大，左右坡质量较小，这使得传递到前后坡屋顶的地震力相应更大，并带动左右坡屋顶扭摆。

(1-梁架；2-椽子；3-望板)

图8  屋顶的主要木构件

5 墙体

墙体是本研究中唯一产生明显破坏的构造。在PGA=0.2g左右，墙体即产生倒塌。地震作用下，墙体倒塌视频截图见图9红线框部分所示，但左右侧墙体非同时倒塌。除了地震力因素外，左右两侧墙体施工方式不同亦为主要原因，后文有较为详细描述。古建墙体的抗震能力主要通过砖墙与灰浆之间的粘接力提供，这种强度普遍较低，因而很容易遭受地震破坏。与木构架稳定、均匀而又缓慢的摆动相比，墙体在地震作用下摇晃明显，且很快产生倒塌破坏，可反映其抗震性能较差。但是，这并不影响木构架整体的抗震性能。墙体倒塌后，木构架仍保持稳定运动状态。

图9  墙体倒塌视频截图