汶川地震造成的古建筑震害及加固研究

0地震烈度分布2008年5月28日下午2點28分，中國四川省四川彭秀市發生了一次8.0級以上的里氏大地震，最大深度達到1:1。它影響了包括中心50公里范圍內的縣和200公里范圍內的大城市，造成了巨大的人員和財產損失。這是新中國成立以來中國大陸發生的最嚴重的地震。汶川地震烈度分布見圖1所示我國的古建筑以木結構為主,其它還有磚石及磚木結構等結構形式。此次汶川地震對我國的古建筑也造成了巨大的破壞。據初步統計,僅四川省就有83處全國重點文物保護單位和174處省級文物保護單位遭受不同程度損失。其中,全國重點文物保護單位彭州領報修院垮塌;二王廟片區山體滑坡,秦堰樓下沉,戲樓、廂房、52級梯步、照壁、三官殿、觀瀾亭、疏江亭、前山門等建筑和圍墻全部垮塌;伏龍觀所有古建筑屋脊、屋瓦全部損壞,木結構斷裂,建筑嚴重傾斜,地面開裂下沉。其它省市如山西、甘肅、陜西、云南、湖北、重慶等地的古建筑也都遭受了一定程度的破壞。汶川地震造成我國古建筑損壞具體損失見表1所示為保護古建筑,本工作將對汶川地震造成的古建筑損壞狀況進行了統計分析,研究以木結構為主的不同類型的古建筑的典型震害癥狀,分析震害原因,提出抗震加固建議,結果將為我國古建筑的保護、修繕及加固提供有效思路。1典型的地震資料1.1不同類型建筑物的震害評估古建筑根據破壞的程度,可分為如下四種震害狀況對不同類型古建筑進行震害評估時,可參考《古建筑木結構維護與加固技術規范》及《建筑抗震設計規范》等相關規定進行1.2典型的地震癥狀1.2.1屋頂系統構件或圍護墻、墻體的破壞木結構古建筑具有良好的抗震性能,在中、低烈度的地震作用下具有易損壞性,大多表現為屋面系統構件或圍護墻、山墻的破壞,震害相對較輕,而在9度及以上的強震作用下,其主體構架大多也能保持不致倒毀。汶川地震對木結構古建筑造成的典型震害有:地基破壞、柱底側移、柱身傾斜、節點拔榫、裝修開裂、梁架歪閃、瓦件掉落、填充墻破壞等癥狀。1基礎設施損壞2柱底向后傾斜3柱傾斜4節點節點5裝飾木材6我喜歡7瓦損壞8填補墻，然后破壞它1.2.2土體材料震害機理古建筑除了木結構外,還有磚木、磚石類等結構類型。其中,磚木結構主要以磚土材料作為承重構件,屋頂采用木構架。與木結構相比,磚土承重材料的抗拉、壓、剪強度相對較差,在地震中很容易出現倒塌現象。圖2(d)所示的領報修院,位于彭州市白鹿鎮以北2.5公里回水村,建于1905年,屬中西結合磚木結構,在汶川地震作用數秒后即產生倒塌。磚石結構主要以塔類形式表現為主,典型震害特征有當然,磚石結構也有抗震性能良好的例子。如分布于汶川、茂縣、理縣等地數座具有千年歷史的藏羌碉樓,在汶川地震中僅僅表現為局部受損2地震破壞分析2.1木材結構經勘查分析,可得古建筑木結構產生震害的主要原因有以下幾個方面:(1)地震烈度非常大(2)震作用下的地基破壞當古建筑選址在不良地基上時,如果未對地基進行加固處理,地震作用下,古建筑將因地基不均勻變形而破壞;立柱放在柱頂石上而缺乏與柱基礎的牢固連接時,柱底摩擦力小于水平地震剪力使得柱根錯位或滑移脫落柱頂石,導致木柱支撐失效引起主體構架倒塌2.2無拉壓柱、柱、板、墻磚木結構古建筑采用磚砌體承重,而屋頂采用三角形木屋架,檁條上直接干鋪小青瓦或大機瓦。由于縱橫墻之間沒有可靠拉接,屋架直接擱置在縱橫墻上,屋架端部支座沒有設置支柱或墊梁,也沒有設置保證屋架平面外整體穩定的支撐,因此這類結構的整體穩定性與牢固性差磚石古塔建筑缺乏抵抗水平地震作用的拉結構件,耗散變形能量的能力較低,此類古建筑很多采用上砌,外包磚石,結構性差,在地震作用下,外包磚石易開裂、脫落,而內部土體并無抗震能力,導致在低烈度區即產生開裂、酥散以至坍毀的震害。砌筑磚石所采用的砂漿、砌體強度標號低,使結構也易產生受拉、受剪破壞。此外,古塔建造地基選址不當而未作地基加固處理時,也容易產生震害3鋼筋混凝土柱或空間墻研究表明:保養得當的木結構古建筑能抵抗9度地震作用為提高磚木結構古建筑的抗震性能,其墻體不能太高,以減輕墻體的振動幅度,外墻四角及內外墻交接處,宜增設構造柱或圈梁進行加固對于磚石古塔類古建筑,在保證修舊如舊的原則下,為提高磚石砌體的延性,可外加鋼筋混凝土柱;為提高結構的穩定性和減少不均勻沉降,可在適當部位增設暗圈梁4局部照片分析本文主要討論了汶川地震古建筑的典型震害,分析了破壞原因并提出了加固建議,得出如下結論:1)汶川地震中木結構占建筑的主要震害表現為地基破壞、柱底側移、柱身傾斜、節點拔榫、裝修開裂、梁架歪閃、瓦件掉落、填充墻破壞等。2)與木結構相比,大部分磚木、磚石結構古建筑抗震性能相對較差,在汶川地震中破壞嚴重。3)汶川地震古建筑震害的主要原因除了地震力因素外,古建筑本身缺乏及時有效地抗震加固措施是一個重要原因。4)為提高古建筑的抗震性能,應加強對古建筑的維護、監測與保養,及時消除各種隱患,將地震破壞減小到最小程度。致謝:本文部分圖片引用自國家文物局網站,特表示感謝。古建筑木結構的維護墻砌筑在木構件之間,屬非承重構件。填充墻主要采用磚石、磚土等砌體材料堆砌而成。由于這些建筑材料本身的抗拉、壓、剪的強度差,加上墻體本身缺乏與木構架的拉接,因此在地震作用下很容易產生開裂、倒塌等破壞現象。圖10(a)(b)分別為江油市云巖寺某檐墻及平武報恩寺某山墻破壞照片。由圖可知,在地震作用下,砌體填充墻均已產生局部倒塌。由于地震波在建筑物屋頂具有放大作用,缺乏牢固連接屋面的瓦件、脊飾在地震作用下,很容易產生掉落現象。圖9(a)為甘肅天水市玉泉關某古建筑屋頂震害局部照片,該地區距震中200公里,在地震作用下吻獸與垂脊之間已產生裂縫,吻獸出現歪閃。圖9(b)為距震中20公里的江堰市都江堰離堆北端的伏龍觀,地震作用下,瓦面掉落嚴重,屋頂震中的脊飾構件已被震落。木結構古建筑梁架擱置在柱頂或斗栱頂上,地震作用下,梁架隨著柱身側移容易產生歪閃現象。圖8(a)所示為廣元市覺苑寺逍遙樓某梁架歪閃局部照片,經勘察,該位置梁架由于童柱的傾斜而南閃4cm;圖8(b)為廣元市覺苑寺觀音殿某梁架震后照片,在地震作用下,該梁架向東歪閃12cm。梁架歪閃對結構的整體穩定將產生不利影響,需要進行加固。古建筑的裝修構件主要指門、窗、隔板等部位的非承重構件。由于這些構件尺寸相對較薄,地震作用下容易產生脫離主體結構而破壞。圖7(a)為廣元市覺苑寺逍遙樓二層某窗臺震害照片,該場地的震害烈度為6度,由圖可知窗臺板及門板僅產生輕微開裂;圖7(b)為彭州法藏寺某古建筑隔板破壞情況,該場地的震害烈度約為8度,地震作用下部分隔板已產生破壞。古建筑木結構梁柱大都以榫卯形式連接。榫卯連接的優點在于:在地震荷載作用下,榫和卯通過摩擦滑移與擠壓變形進行耗能,減小結構的地震響應;然而榫卯節點的拔拉造成節點自身剛度退化,使梁柱節點形式由剛接向鉸接過渡,在這種情況下,拔榫很可能造成結構局部失穩,影響構架的整體穩定性。圖6(a)為廣元市覺苑寺觀音殿某穿插枋拔榫照片,地震作用下,該節點拔榫尺寸達8cm;圖6(b)為都江堰市青城山黃帝殿某穿插枋節點脫榫照片,脫榫使得檐柱與金柱的聯系中斷,對結構抗震產生不利影響。柱身傾斜也是木結構古建筑的主要震害之一。地震作用下,當柱底產生側移或梁柱節點松動時,柱身會產生側移。圖5(a)為廣元市覺苑寺觀音殿某柱身傾斜照片,地震作用下該柱頭向東產生傾斜18cm;圖5(b)為廣元市覺苑寺大雄寶殿某柱身傾斜照片,地震作用下該柱頭向南傾斜22cm,向東傾斜8cm。柱身傾斜尺寸過大將導致屋頂傾覆,因此需要進行加固。古建筑木柱柱底一般浮擱于柱頂石上,可產生滑移減震的效果。但是在地震作用下,柱底剪力小于水平地震力時,柱底往往會產生側移現象。尺寸過大的側移使柱頂石偏心受壓,使柱頂石處于不利的受力狀態,同時對結構整體穩定性也有不利影響。圖4(a)為廣元市覺苑寺西廂房某柱底側移照片,地震作用下,該柱底側移尺寸已達13cm,需要進行加固。圖4(b)為彭州市法藏寺某古建筑柱底側移照片,水平地震力將部分柱子推離柱頂石,使建筑物的整體穩定性受到了不利的影響。當古建筑選址在河道、粉砂土層或潛在滑坡地帶,施工時卻又未做好基底處理時,在地震作用下,很有可能因山體滑坡或地基不均勻沉降而導致地基破壞。圖3(a)為都江堰市二王廟某古建筑因山體滑坡而產生的地基破壞照片;圖3(b)為彭州市法藏寺某古建筑因地基未作加固處理而產生的局部倒塌照片。地基破壞是導致古建筑破壞的一個重要因素。汶川地震的震中烈度達11度,具有極強的破壞力。地震時強烈的豎向和水平地震作用是木結構破壞的一個主要原因。由于古建筑承重木料選取時一般未