揭秘木結(jié)構(gòu)古建的抗震性能
蘆山震中的百年老屋,天津薊縣獨(dú)樂寺,山西應(yīng)縣木塔等我國許多古代建筑都成功地經(jīng)受過大地震的考驗(yàn),千百年來均經(jīng)歷過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(tái)基堪稱整體浮筏式基礎(chǔ)
我國古代很少建造平面復(fù)雜的建筑,主要采用長寬比小于2∶1的矩形。規(guī)則的平面形態(tài)和結(jié)構(gòu)布局有利于抗震。傳統(tǒng)建筑往往是中間的一間(當(dāng)心間)最大,兩側(cè)的次間、梢間等依次縮小面寬,這樣的設(shè)計(jì)非常有利于抵抗地震的扭矩。
中國古代建筑一般由臺(tái)基、梁架、屋頂構(gòu)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(tái)基用現(xiàn)代結(jié)構(gòu)語言描述,堪稱“整體浮筏式基礎(chǔ)”,好比是一艘大船載著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(chǔ)被剪切破壞,減少地震波對上部建筑的沖擊。中國傳統(tǒng)建筑的梁架一般采用抬梁式構(gòu)造,在構(gòu)架的垂直方向上,形成下大上小的結(jié)構(gòu)形狀,實(shí)踐證明這種構(gòu)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(tǒng)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相當(dāng)?shù)呢暙I(xiàn)。形成大屋頂(尤其是廡殿頂、歇山頂?shù)?需要復(fù)雜結(jié)構(gòu)和大量構(gòu)件,大大增加了屋頂乃至整個(gè)構(gòu)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(gòu)架的穩(wěn)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(zhàn)士”,在地震時(shí)它像汽車的減震器一樣起著變形消能的作用。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(gòu)件,用在柱頭頂或額枋之上,起著承托梁架和出挑屋檐的作用。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí),屋頂與柱之間的若干組內(nèi)外檐斗拱像彈簧層一樣起著變形消能的作用,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(qiáng)烈地震,比如山西大同的華嚴(yán)寺,在沒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,充分說明了斗拱對抗震的貢獻(xiàn)。斗拱但能起到“減震器”的作用,而且被各種水平構(gòu)件連接起來的斗拱群能夠形成一個(gè)整體性很強(qiáng)的“剛盤”,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(jié)構(gòu)的安全性。
絕招三:榫卯是抗擊地震的關(guān)鍵
除了這些較顯著的手法外,中國古代傳統(tǒng)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年前就開始使用,這種不用釘子的構(gòu)件連接方式,使得中國傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)成為超越了當(dāng)代建筑排架、框架或者剛架的特殊柔性結(jié)構(gòu)體,不但可以承受較大的荷載,而且允許產(chǎn)生一定的變形,在地震荷載下通過變形吸收一定的地震能量,減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。
還有如柱子的生起、側(cè)腳等技法降低了建筑的重心,并使整體結(jié)構(gòu)重心向內(nèi)傾斜,增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性;柱頂、柱腳分別與闌額、地袱以及其他的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接,使柱架層形成一個(gè)閉合的構(gòu)架系統(tǒng),用現(xiàn)代術(shù)語來說,就是形成上、下圈梁,有效地制止了柱頭、柱腳的移動(dòng),增強(qiáng)了建筑構(gòu)架的整體性。梁架系統(tǒng)通過闌額、由額、柱頭枋、蜀柱、攀間、搭牽、梁、檁、椽等諸多構(gòu)件強(qiáng)化了聯(lián)系,顯著增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性;柱子與柱礎(chǔ)的結(jié)合方式能顯著地減少柱底與柱礎(chǔ)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(dú)樂寺觀音閣、應(yīng)縣木塔等,都在暗層中設(shè)有斜撐,大大強(qiáng)化了構(gòu)架對水平?jīng)_擊波反復(fù)作用的抵抗能力;在外檐柱間設(shè)置較厚的墻體,起到現(xiàn)代建筑中“剪力墻”的作用諸如此類,舉不勝舉,大到建筑群體的布局處理,小到構(gòu)件斷面的尺寸設(shè)計(jì),處處都展示出古代工匠們在抗震設(shè)計(jì)方面的知識和匠心。
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