（本文節(jié)選于《單檐歇山式木構(gòu)古建抵抗極端烈度地震試驗調(diào)查研究》，該文載于《文物保護與考古科學(xué)》2020年第2期）

受英國雄獅電視臺委托，作者以故宮某單檐歇山式木構(gòu)古建為原型，制作了包含浮放柱礎(chǔ)、柱架、(五踩)斗拱、歇山屋頂、墻體等明清官式木構(gòu)古建所具備的所有構(gòu)造的模型，測試強震作用下中國明清官式木構(gòu)古建抗倒塌能力。本試驗僅探討中國官式木構(gòu)古建究竟在何種地震烈度作用下倒塌(抵抗極端強震的能力)，因此采取逐級增強地震波烈度的試驗方法。即地震波強度從PGA=0.1g(x向，烈度比x:y=0.85:1)起，按0.05g逐漸增加強度，直至模型倒塌(實際上由于作動器能力限制，地震波烈度最終加載到約PGA=1.5g)。試驗現(xiàn)象顯示，無論在何種地震烈度作用下，模型的大木構(gòu)架均能保持近似穩(wěn)定的振動狀態(tài)。下面結(jié)合視頻及照片資料，對強震(PGA=1.5g為主)作用下，模型各構(gòu)造的試驗現(xiàn)象進行具體說明及分析。

1、柱底

柱底在地震作用下的運動形式表現(xiàn)為搖擺為主，摩擦滑移為輔。其搖擺運動表現(xiàn)為柱底與柱頂石之間的相對“開合”運動，但柱底始終與柱頂石接觸，其接觸面積由大到小，不斷反復(fù)運動。地震結(jié)束后，柱底基本復(fù)位，但與初始位置有少許偏差。柱底在柱頂石上的摩擦滑移很不明顯，表現(xiàn)為地震作用下，柱底繞柱頂石搖擺過程中，二者構(gòu)件之間由于擠壓及水平外力作用而產(chǎn)生的相對錯動。地震作用下柱底運動的視頻截圖如圖1所示。

圖1  柱底運動視頻截圖

分析認(rèn)為，柱底作上述運動的主要原因與柱底—柱頂石之間的構(gòu)造相關(guān)。在故宮官式大木結(jié)構(gòu)古建做法中，柱底與柱頂石的連接構(gòu)造為平擺浮擱關(guān)系。支撐大木構(gòu)架柱子的柱頂石固定在地面，其上表面為平滑，見圖2(a)。柱子立在柱頂石上后，與柱頂石形成平擺浮擱連接構(gòu)造，見圖2(b)。這種構(gòu)造不僅避免了柱底插入地下造成的糟朽問題，而且有利于對地震作用產(chǎn)生“卸力”效果，即地震力由柱頂石向上傳遞時，由于柱底和柱頂石的平擺浮擱連接方式（有很強的轉(zhuǎn)動能力且水平約束力很?。湓谥孜恢卯a(chǎn)生的彎矩和剪力很小，避免了柱底產(chǎn)生折斷。同時，地震作用下，柱底與柱頂石之間的少許摩擦滑移，還可耗散部分地震能量。

(a) 柱頂石

     (b) 柱底安裝后

圖2  柱底與柱頂石的連接構(gòu)造

2 柱架

柱架即柱與額枋組成的框架體系。在地震作用下，柱架產(chǎn)生擺動，且隨著地震作用增強而表現(xiàn)明顯。各柱架基本保持同步擺動，方向一致。這種擺動表現(xiàn)為柱架整體在水平面內(nèi)的搖擺，但沒有產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。其原因在于柱底與柱頂石之間的水平向相對無約束狀態(tài)，使得柱架猶如一個剛體表現(xiàn)為水平面內(nèi)往復(fù)運動。地震作用下柱架運動的試驗視頻截圖如圖3虛線部分所示。

圖3  柱架搖擺視頻截圖

    分析認(rèn)為，柱架的運動狀態(tài)與柱架構(gòu)造密切相關(guān)。其一，柱架的柱底平擺浮擱在柱頂石上，使得水平地震作用下，柱底可產(chǎn)生相對自由的運動，柱底位置的內(nèi)力也很小，不會在該位置產(chǎn)生破壞。其二，柱頂與水平額枋采用榫卯接點形式連接，即柱頂做成卯口形式，而水平額枋端部則做成榫頭形式，插入卯口中。另水平額枋由大額枋、小額枋、（由額）墊板做成疊加構(gòu)件體系，見圖4，節(jié)點整體截面尺寸較大，這無疑增加了榫卯節(jié)點的轉(zhuǎn)動能力，減小了榫頭在地震作用下產(chǎn)生擠壓破壞的可能性。上述兩種構(gòu)造特征使得柱架成為一個近似運動體系，并通過搖擺隔震、摩擦擠壓耗能來減小自身的破壞。

圖4  柱架的柱與額枋照片

3 斗拱

強震作用下， 坐斗下部的平板枋隨柱架搖擺，且在地震強度增大時，有局部分離大額枋頂部的跡象，但隨著柱架復(fù)位而很快恢復(fù)到初始位置。對于斗拱分層構(gòu)件而言，上下各分層構(gòu)件隨著柱架做近似一致的往復(fù)擺動（水平面內(nèi)），斗拱構(gòu)件之間的相對運動不明顯。斗拱層猶如一個整體，隨著柱架一起往復(fù)搖擺，其擺動幅度并不劇烈，見圖5，可反映傳到斗拱層的地震力并不大。

圖5  斗拱運動視頻截圖

分析認(rèn)為，斗拱在強震作用下的運動特性與其構(gòu)造特征及木材材性密切相關(guān)。從構(gòu)造上講，盡管斗拱由眾多細(xì)小構(gòu)件組成，但是這些構(gòu)件分層有序，搭接牢固。其中，上下層構(gòu)件通過暗銷連接，同一層構(gòu)件通過搭扣相接（后文震害分析部分有圖示說明）。這種連接方式使得斗拱為一個較為牢固的組合體。同時，木材彈性模量較小，使得斗拱各分層構(gòu)件之間有較好的彈性變形及恢復(fù)能力。另斗拱的最下層構(gòu)件即坐斗是通過暗銷固定在平板枋上，而平板枋則為平擺浮擱在大額枋上，3種構(gòu)件位置關(guān)系的照片見圖6所示。

(1-坐斗；2-平板枋；3-大額枋)

圖6  斗拱底部的主要構(gòu)件

4 屋頂

屋頂主要包括梁架、望板、椽子及瓦面。強震作用下，屋頂做平面內(nèi)的擺動，并有輕微幅度的平面扭轉(zhuǎn)。屋頂質(zhì)量占整個木構(gòu)架質(zhì)量的80%左右，這對下部木構(gòu)架的運動起到主導(dǎo)作用。屋頂各組成部分的運動保持近似同步，猶如一個整體(剛體)產(chǎn)生運動。整個試驗過程中，梁架部位未見有明顯擠壓聲或開裂聲，各構(gòu)件做近似同步運動，幅度輕微，可反映梁架部位受到的地震力較?。蛔铐攲油呙嫖匆娡呒蓜踊虻袈?，瓦頂與梁架同步運動，可反映瓦件受到的地震力較小。強震作用下模型屋頂試驗照片如圖7所示。

圖7  屋頂運動照片

分析認(rèn)為，強震作用下屋頂?shù)倪\動狀態(tài)與木構(gòu)架連接構(gòu)造相關(guān)。其一，平擺浮擱柱底、榫卯連接及斗拱的構(gòu)造均能在一定程度上削弱地震力，這使得傳到屋頂部位的地震力進一步減小。其二，對于屋頂木構(gòu)架本身構(gòu)造而言，其梁架各構(gòu)件之間通過搭扣相連接；梁架上部為椽子，椽子用釘子固定在梁架頂部；椽子上部則是望板，望板亦用釘子固定在椽子上；上述不同構(gòu)件的連接關(guān)系見圖8。這種結(jié)構(gòu)使屋面結(jié)構(gòu)成為整體性很強的“曲面板”，整體剛性很大，在地震作用下很難產(chǎn)生破壞。其三，屋面板之上是分層泥背及瓦件，各瓦件與鋪瓦泥之間有較好的粘接力，足以抵抗地震破壞。其四，模型屋頂質(zhì)量較大，這雖然增加地震時的慣性力，但它同時可以增強斗拱的豎向減震能力、柱底的抗滑移能力及榫卯節(jié)點的咬合力，保證了結(jié)構(gòu)的整體性及穩(wěn)定性。另本研究中的屋頂在地震作用下產(chǎn)生輕微的扭擺，其主要原因與歇山建筑屋頂形式有關(guān)。歇山屋頂質(zhì)量分布不一致，前后坡質(zhì)量較大，左右坡質(zhì)量較小，這使得傳遞到前后坡屋頂?shù)牡卣鹆ο鄳?yīng)更大，并帶動左右坡屋頂扭擺。

(1-梁架；2-椽子；3-望板)

圖8  屋頂?shù)闹饕緲?gòu)件

5 墻體

墻體是本研究中唯一產(chǎn)生明顯破壞的構(gòu)造。在PGA=0.2g左右，墻體即產(chǎn)生倒塌。地震作用下，墻體倒塌視頻截圖見圖9紅線框部分所示，但左右側(cè)墻體非同時倒塌。除了地震力因素外，左右兩側(cè)墻體施工方式不同亦為主要原因，后文有較為詳細(xì)描述。古建墻體的抗震能力主要通過磚墻與灰漿之間的粘接力提供，這種強度普遍較低，因而很容易遭受地震破壞。與木構(gòu)架穩(wěn)定、均勻而又緩慢的擺動相比，墻體在地震作用下?lián)u晃明顯，且很快產(chǎn)生倒塌破壞，可反映其抗震性能較差。但是，這并不影響木構(gòu)架整體的抗震性能。墻體倒塌后，木構(gòu)架仍保持穩(wěn)定運動狀態(tài)。

圖9  墻體倒塌視頻截圖