砖石古塔震害机理分析及加固方案探讨

郑天天，李萌，雷克

（西安建筑科技大学土木工程学院西安710055）

砖石古塔震害机理分析及加固方案探讨

郑天天，李萌，雷克

（西安建筑科技大学土木工程学院西安710055）

5·12汶川地震对四川陕西等地的古塔建筑造成了较大的损坏，为了有效地保护古塔建筑这一宝贵的文化遗产，对汶川地震中四川及陕西关中地区部分砖石古塔的震害现象进行了归纳整理，对震害形成机理进行了分析。运用时程分析法，对陕西岐山太平寺塔进行了水平地震反应分析，并提出加固建议。

砖石古塔；震害调查；地震反应分析；加固方法建议

1 引言

我国古代建筑有着其独特风格，在建筑艺术、施工技术、结构构造、材料使用等方面，有着很高的成就，甚至有的方面可以为现代各类建筑提供参考。我国古塔建筑历史悠久，作为古代高层建筑的代表，从保存至今的砖石古塔在以往历史地震经验中看出，有着一定的抗震性能，但其中也存在着许多不足之处。

2008年5·12汶川地震后，震中及周边地区建筑物受到严重破坏，砖石古塔亦未能幸免。对古塔震害进行总结，对震害机理进行分析，对受损古塔进行必要的加固与维修，无疑是非常重要的。

本文以四川及陕西关中地区部分砖石古塔在5·12地震后的震害调查为基础，结合有限元时程分析法，以岐山太平寺塔为例，对其地震反应进行分析，探讨了砖石古塔在地震中的破坏规律，对部分古塔提出了加固构想，以期为相关部门的文物保护工作提供参考依据。

2 震害调查及机理分析

汶川地震是我国自建国以来最为强烈的一次地震，四川地区古塔受灾严重，陕西关中地区受到典型远震的影响，其为数不多的古塔建筑在经历地震破坏后均存在着不同程度的破坏，震害表现主要有以下几点：

2.1 塔刹及塔顶部区域坍塌

塔刹位于塔顶端部位，一般质量比较集中，在地震作用下由于鞭鞘效应在塔刹部位会产生较大的地震力，因此塔刹在地震中被破坏现象比较普遍，四川峨眉山圣积寺铜塔塔刹在此次地震中被震落。

四川崇州街子镇字库塔在5·12地震后，第五层及塔刹部分都已倒塌，由于古塔结构材料均为脆性材料，随着高度增加，塔体所受压应力减小，其抗剪强度也随之减小，更容易引起剪切破坏。在强烈地震作用下，塔顶会受到高振型的影响而发生竖向振动，在顶部也会出现拉应力区域，再由于粘结材料的抗拉强度很低，使得塔顶与其余部分很容易被拉开，加之剪切应力的共同作用，顶部区域容易产生裂缝，塔体在顶部区域的横截面积较小，在地震的反复作用下，会使裂缝逐渐变大，甚至使整个顶部区域倒塌。

2.2 塔体发生倾斜

地震造成土壤的地基软化，以及塔基周围地质条件恶劣或常年积水使塔发生不均匀沉降，而这些地基支撑的不对称性造成的塔体倾斜，对塔的整体稳定性影响比较大，因此古塔塔体倾斜情况比较普遍。大部分古塔都有着不同程度的倾斜，其中较为严重的岐山太平寺塔（图1）塔身向东偏北4度方向倾斜约4度，塔顶偏离中心达1.87m。

2.3 塔身出现竖向裂缝

在古塔自重以及竖向地震作用下，塔体底部压应力可能超过结构材料的抗压强度，从而产生竖向裂缝，出现了垂直压力破坏现象，使得塔身出现沿竖向的裂缝。

2.4 塔身出现斜裂缝及发生错位现象

图1 太平寺塔

图2 太平寺塔一层墙体裂缝

图3 大雁塔

在这次地震后，几乎所有被调查古塔都产生了新的裂缝，对大雁塔（图3）的内部破坏做了调查，发现其中五、六层楼梯间墙体出现明显交叉裂缝（图4）。与水平地震作用方向平行的墙体，受到地震剪力以及竖向重力荷载的共同作用，当该墙体内的剪切主拉应力超过墙体抗拉强度时，就会产生斜裂缝，由于地震反复的作用就会形成“X”型的交叉裂缝。此次调查岐山太平寺塔发现第一层东北角处沿斜向裂缝的错位现象，错位距离达3.6~ 6cm，如图2所示。由于水平地震作用引起的斜裂缝，后来可能受到地震波扭转效应影响使得塔身发生扭转破坏从而产生错位。

2.5 塔内沿竖向中轴线方向破坏

因建筑需要，一般古塔沿竖向中轴线方向会开有门洞或窗洞，这使得在该方向上抗剪能力大大削弱。据记载，陕西扶风法门寺塔，屡受地震灾害，受1976年8月16日四川松潘地震影响，塔的西南一侧出现竖向裂缝，致使在1981年8月的一场大雨中坍塌了一半，这是由于竖向裂缝导致塔倒塌的典型例子。泾阳县崇文塔（图5）五至九层之间沿中轴线方向劵洞上方拱顶处砖块均有不同程度破坏，其中第五层劵洞上方已严重坍塌。

图4 大雁塔内部楼梯间裂缝

图5 崇文塔

图6 中和轴方向的剪切力达到最大

今将塔体简化成如图6模型，视古塔为底端固定的悬臂梁构件，在水平地震作用下，由惯性水平力F形成的倾覆力矩Fh与一对竖向支撑力所产生的力偶矩Vb相抵抗，这对方向相反的支撑力在中和轴处的联结墙梁以剪力形式传递，从而在中和轴联结墙梁上的剪应力达到最大，对于多数古塔都沿中和轴线方向开设门窗洞，这样削弱了该方向的抗剪承载力，从而增大了沿中轴线方向发生的剪切破坏。从破坏现象来看，古塔在地震时沿中轴线的破坏，首先是在沿中轴线方向发生剪切错位形成裂缝，随着地震反复作用，剪切变形来回错动，当发生较大变形时，中轴线方向的裂缝逐渐扩大，导致古塔的倒塌。

3 地震反应分析

今以太平寺塔为例，采用时程分析法对其进行地震反应分析。

3.1 模型建立

太平寺塔位于陕西省岐山县，为国家级重点保护文物，系正八边形砖塔，共九级，根据抗震设计规范（GB50011-2001）取为乙类建筑，设防烈度按照8度设防，因无详细场地资料，根据周边地区情况取为Ⅱ类场地。

依据以往资料，砖石古塔建模均采用实体建模方法，根据古塔实际尺寸建立几何模型，采用三维10节点四面体单元来模拟塔体，单元类型为SOLID45，Smart size取为0.8，由文献[4]，塔体倾斜对结构自振频率影响甚小，今建模忽略塔体倾斜因素的影响。参照砌体结构设计规范（GBJ3-88），取太平寺塔砖砌体弹性模量E=784MPa，泊松比γ=0.15，砖砌体密度取1900kg/ m3，其模型如图7。

3.2 选择输入地震波

本文地震波选用EL-Centro波，截取前20s，并取时间间隔为0.02s，共1000点。对该地震波进行调幅，最大值分别取为0.7m/s2和2.0 m/s2，分别相当于8度小震和8度中震，其峰值均出现于2.14s。

3.3 地震波作用下塔体的位移反应

在X轴方向上输入地震波，分别得到对应于两个峰值的各层最大水平位移，以及最大层间位移，经统计，列出位移曲线如图8、图9所示。

图7 太平寺塔有限元模型

表1 太平寺塔几何尺寸

图8 最大位移对比

图9 最大层间位移对比

由图8、图9看出，当加速度峰值为0.7m/s2时，塔刹顶部相对于地面最大位移为56.5mm，最大层间位移为7.4mm，出现在第二层；当加速度峰值为2.0 m/s2时，塔刹顶部相对于地面最大位移为161.5mm，最大层间位移为21.1mm，出现在第二层。以此推断二、三层之间可能为结构薄弱层。

在下列图10a-d中分别列出了峰值加速度为0.7 m/s2和2.0 m/s2所对应的二层顶部及塔刹顶部的水平位移反应曲线，二层顶部最大峰值出现在4.80s，最大位移分别为13.6mm和38.9mm；塔刹顶部最大峰值反应出现在4.78s，最大位移分别为56.5mm和161.5mm。

图10 峰值加速度a-d类水平位移反应曲线图

由图11可以看出，主拉应力在塔身下部集中，其最大值出现在一层底部，可由应力准则判定：塔身底层立面首先开裂，形成一条水平裂缝，并斜向上方发展，在立面墙上形成一条斜裂缝，这可以更进一步解释图2所示太平寺塔底层破坏现象。

4 抗震加固方法建议

结合以上震害机理分析，为减轻甚至避免地震对砖石古塔的严重破坏，对其进行抗震加固十分必要，根据四川及陕西地区部分砖石古塔建筑的破坏情况，拟定出下列加固方法。

4.1 裂缝处的粘结

砖石古塔塔身墙体裂缝的产生以及粘结材料的风化，不仅降低了塔体的整体性，其抗剪强度也大大降低，鉴于这种情况，建议对裂缝及灰缝风化部分填补水泥砂浆，其做法为：对于墙体中强度不够的灰缝进行打磨刨空，并灌入水泥砂浆，在外墙表面按照古塔本身的墙体颜色再加一层水泥砂浆，尽量保持古塔原来面貌。裂缝粘结后可有效保护古塔，可以减少因地震引起裂缝再次产生的可能性。

4.2 倾斜古塔的纠偏加固

对于斜塔的纠偏加固，目前主要有以下几种方案：迫降纠偏、顶升纠偏以及综合纠偏。其中迫降纠偏是在古塔沉降较小的一侧采取措施使其向下沉降，从而达到纠偏效果。顶升纠偏则相反，是在斜塔基础沉降较大的部位采用千斤顶顶升的办法，使古塔在一个平面内做整体转动以达到纠正目的。综合纠偏则是采用两种或两种以上的纠偏方法，如顶升迫降法，混合迫降法等。要注意，在斜塔纠偏过程中一定要采取措施保证塔体的整体性，如对塔体加箍等方法，防止在纠偏过程中塔体产生再次破坏的危险。

图11 8度中震下主拉应力云图

4.3 塔内加设扶壁柱及圈梁

为保持古塔的原貌，采用内加固的方法，其适用于空筒式砖石结构古塔，做法如下：在每层平台下，加设一道钢筋混凝土圈梁，在塔内每个阴角处再加设上下贯通的三角形扶壁柱，与圈梁连为整体，其中圈梁与扶壁柱宜采用小截面高强混凝土以节省内部空间，这样圈梁、平台板、扶壁柱用锚筋连接，形成一个内框架，从而构成一个整体，这样充分利用钢筋混凝土的强度和延性，可大大提高塔的抗震性能。

4.4 塔体加箍

对于塔的整体性加固可采用塔体加箍，箍的形式有钢板箍、钢筋混凝土箍以及砖筋圈箍等，加箍主要是为了防止裂缝的开展，并可局部提高塔体的抗剪强度，从而保证整个塔体的整体性，提高抗震性能，并为纠偏加固提供可行性。

4.5 碳纤维加固

针对砖石古塔主要是由于抗拉强度不足而产生的破坏，可以采用碳纤维加固，碳纤维可以避免由于加固而增大结构尺寸及自重，碳纤维本身具有很高的抗拉强度，可有效抵抗塔体由于出现拉应力而造成的破坏。其做法为：首先对古塔表面处理，可采用环氧砂浆充分注入裂缝，进行裂缝封闭处理，然后根据预先计算好需要粘贴碳纤维布的位置，在相应位置抹上砂浆，待砂浆达到强度后对其进行找平处理，然后涂刷底层树脂，等干燥后涂刷浸渍树脂，再贴上碳纤维片材，应注意碳纤维片材与砂浆机密结合，最后对表面均匀涂上浸渍树脂，待干燥后抹上水泥砂浆保护层进行保护。

5 结论

（1）砖石古塔在地震中破坏形式有多种情况，主要为塔刹及塔顶部位的坍塌；塔身出现的竖向、斜向及“X”型交叉裂缝；塔身倾斜；沿竖向中轴线的劈裂等。

（2）采用有限元对太平寺塔的地震反应计算分析，塔刹部位位移反应最大，通过计算最大层间位移推断出薄弱层可能位于二、三层之间，对其抗震加固提供理论基础。

（3）在震害调查及机理分析的基础上提出针对性的加固方案以供参考。

[1]陈平，赵冬，姚谦峰.西安大雁塔抗震能力探讨[J].建筑结构学报，1999，20(1):46-49.

[2]陈平，赵冬，姚谦峰.西安小雁塔抗震能力探讨[J].西安建筑科技大学学报，1999，31(2):149-151.

[3]姚谦峰，卢俊龙，张荫.砖石古塔抗震加固对策探讨[J].工业建筑，2007，37(9)：115-118.

[4]魏俊亚，张东平.砖石古塔动力特性研究[J].工程抗震与加固改造，2008，30(5).

[5]李德虎，魏琏.砖石古塔的历史震害与震害机制[J].建筑科学，01，1990:13-18.

[6]沈治国.砖石古塔的力学性能及鉴定与加固方法的研究[D].西安建筑科技大学硕士学位论文，2005.

[7]张文明.砖石古塔的抗震性能评估及地震破坏机理研究[D].西安建筑科技大学硕士学位论文，2008.

责任编辑：余咏梅

建筑知识

石材外墙装修构造

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大理石墙面装修大理石墙面具有色彩多样、装饰华丽的特点，大多用于建筑物的重点部位装修。大理石往往加工成较薄的板材，厚20～30 mm，其构造多在结构中留置钢筋头，在墙面先扎好钢筋网，间距500~1000mm。上下间距以石板的高度为准。石板上端的两边钻有小孔，上口留有槽口。选用铅丝穿扎于墙面的钢筋网上，并将铅丝头隐入槽内。施工时先用石膏将石板临时固定，然后在缝隙中灌入水泥砂浆。石板的接缝常用对接，缝隙为1～2mm。

（来源：《建筑工人》）

Analysis of Earthquake Damage Mechanism and Research on Reinforcement Scheme for Ancient Masonry Pagoda

Ancient pagoda buildings in Sichuan and Shaanxi district were damaged seriously in the earthquake of Wenchuan in 12th May.In order to protect the ancient pagoda which is a precious cultural heritage,do some induction-arrangement on earthquake disaster phenomena in ancient masonry pagodas from Sichuan and Shaanxi Guanzhong district after Wenchuan earthquake,and analyze the earthquake mechanism of this.Applying time history analysis method,the seismic analysis has been done for the Taiping Temple's Pagoda in Qishan County from Shaanxi province under horizontal affects by earthquake,and then gives some suggestion on reinforcement measures which based on the analysis of its mechanism.

masonry pagoda;seismic disaster investigation;seismic response analysis;reinforcement measures suggestion

TU746.3

A

1671-9107（2010）03-0019-05

10.3969／j.issn.1671-9107.2010.3.019

2009-12-21

郑天天(1983-)，男，安徽天长人，硕士研究生，主要从事古建筑加固与维护方面的研究。