揭秘木結構古建的抗震性能
蘆山震中的百年老屋,天津薊縣獨樂(lè )寺,山西應縣木塔等我國許多古代建筑都成功地經(jīng)受過(guò)大地震的考驗,千百年來(lái)均經(jīng)歷過(guò)多次地震仍然傲然屹立。古建筑為何能抗震?它們又是怎么抗震的?
絕招一:古建筑的臺基堪稱(chēng)整體浮筏式基礎
我國古代很少建造平面復雜的建筑,主要采用長(cháng)寬比小于2∶1的矩形。規則的平面形態(tài)和結構布局有利于抗震。傳統建筑往往是中間的一間(當心間)最大,兩側的次間、梢間等依次縮小面寬,這樣的設計非常有利于抵抗地震的扭矩。
中國古代建筑一般由臺基、梁架、屋頂構成,高等級的建筑在屋頂和梁柱之間還有一個(gè)斗栱層。中國古代建筑的臺基用現代結構語(yǔ)言描述,堪稱(chēng)“整體浮筏式基礎”,好比是一艘大船載著(zhù)建筑漂浮在地震形成的“驚濤駭浪”中,能夠有效地避免建筑的基礎被剪切破壞,減少地震波對上部建筑的沖擊。中國傳統建筑的梁架一般采用抬梁式構造,在構架的垂直方向上,形成下大上小的結構形狀,實(shí)踐證明這種構造方式具有較好的抗震性能。優(yōu)雅的大屋頂是中國古代傳統建筑最突出的形象特征之一,而且對提高建筑的抗震能力也做出過(guò)相當的貢獻。形成大屋頂(尤其是廡殿頂、歇山頂等)需要復雜結構和大量構件,大大增加了屋頂乃至整個(gè)構架的整體性;龐大的屋頂以其自重壓在柱網(wǎng)上,也提高了構架的穩定性。
絕招二:斗拱
斗拱是中國古代建筑抗震的又一位重要“戰士”,在地震時(shí)它像汽車(chē)的減震器一樣起著(zhù)變形消能的作用。它是由若干斗形的木塊和弓形的短枋木相互交接組合而成的構件,用在柱頭頂或額枋之上,起著(zhù)承托梁架和出挑屋檐的作用。當地震發(fā)生時(shí),屋頂與柱之間的若干組內外檐斗拱像彈簧層一樣起著(zhù)變形消能的作用,從而大大減少了建筑物的破壞程度。歷史上,很多帶斗拱的建筑都能抵御強烈地震,比如山西大同的華嚴寺,在沒(méi)有斗拱的低等級附屬建筑被破壞殆盡的情況下,帶斗拱的主要殿堂仍能幸存,充分說(shuō)明了斗拱對抗震的貢獻。斗拱但能起到“減震器”的作用,而且被各種水平構件連接起來(lái)的斗拱群能夠形成一個(gè)整體性很強的“剛盤(pán)”,按照“能者多勞”的原則把地震力傳遞給有抗震能力的柱子,大大提高了整個(gè)結構的安全性。
絕招三:榫卯是抗擊地震的關(guān)鍵
除了這些較顯著(zhù)的手法外,中國古代傳統建筑中還使用了大量的其他技術(shù)措施,這些措施是古建筑抗震的關(guān)鍵。比如榫卯的使用,榫卯是極為精巧的發(fā)明,我們祖先早在7000年前就開(kāi)始使用,這種不用釘子的構件連接方式,使得中國傳統的木結構成為超越了當代建筑排架、框架或者剛架的特殊柔性結構體,不但可以承受較大的荷載,而且允許產(chǎn)生一定的變形,在地震荷載下通過(guò)變形吸收一定的地震能量,減小結構的地震響應。
還有如柱子的生起、側腳等技法降低了建筑的重心,并使整體結構重心向內傾斜,增強了結構的穩定性;柱頂、柱腳分別與闌額、地袱以及其他的結構構件連接,使柱架層形成一個(gè)閉合的構架系統,用現代術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō),就是形成上、下圈梁,有效地制止了柱頭、柱腳的移動(dòng),增強了建筑構架的整體性。梁架系統通過(guò)闌額、由額、柱頭枋、蜀柱、攀間、搭牽、梁、檁、椽等諸多構件強化了聯(lián)系,顯著(zhù)增強了結構的整體性;柱子與柱礎的結合方式能顯著(zhù)地減少柱底與柱礎頂面之間的摩擦,進(jìn)而有效地產(chǎn)生隔震作用;在高大的樓閣中,如獨樂(lè )寺觀(guān)音閣、應縣木塔等,都在暗層中設有斜撐,大大強化了構架對水平?jīng)_擊波反復作用的抵抗能力;在外檐柱間設置較厚的墻體,起到現代建筑中“剪力墻”的作用諸如此類(lèi),舉不勝舉,大到建筑群體的布局處理,小到構件斷面的尺寸設計,處處都展示出古代工匠們在抗震設計方面的知識和匠心。
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