法海寺大殿抗震加固方法探讨

2021-07-28张亚英吴二军耿文忠

北京工业职业技术学院学报 2021年3期

张亚英邓烜吴二军耿文忠

(1.北京工业职业技术学院建筑与测绘工程学院，北京100042；2.中国建筑标准设计研究院，北京100089；3.河海大学，南京210098；4.北京水利水电学校，北京100024)

0 引言

全国重点文物保护单位法海寺因其国宝级壁画而闻名，法海寺位于北京西山地震带附近，历史上经受了3 次大地震，对寺内建筑群落产生过毁灭性破坏，大部分殿宇相继倒塌消失，唯有壁画所在的大雄宝殿建筑得以留存，但其结构状况很不乐观。北京未来千年内7级以上大地震风险存在，小震时有发生。从目前的建筑物状况看，5级地震对于已有裂缝的壁画和已出现危险信号的木架构来说也可能是毁灭性的破坏。抗震加固不仅要保证短期内的结构安全，而且还要保证其结构安全与表面外观保存的延续性长至数百乃至千年，这才是对古建筑设定的科学的安全目标，这样才能实现“古建筑文明永续传承”。

1 壁画墙体与大殿结构受损情况

通过对大雄宝殿进行的结构缺陷检验及倾斜测量检测，发现壁画墙体与木架结构有如下缺陷：大殿墙身与檐柱交接处普遍存在竖向裂缝，在室内壁画墙上可以很明显地看到；最著名的壁画水月观音所在墙体有明显的横向裂缝，墙体多处裂缝已经对壁画的美观性造成影响；3个承重立柱严重偏斜，6个梁挠度变形较大，变形值不能满足技术规范要求；多处天花梁梁身开裂，部分斗栱搭接处歪闪，多块天花板断裂[1]。

2 大殿抗震性能分析

《营造法式》规定的古建筑木结构主要由基础、柱、梁、铺作、屋顶等部分组成，其中梁与柱采用榫卯节点形式连接。法海寺大雄宝殿坐落于高0.8 m的普通砖砌台基之上，总体面阔5间，进深3间，平面采用“副阶周匝”的身内双槽形式。大殿屋顶形式为庑殿顶，屋面为蓝色琉璃瓦黄减边，大殿木构架为北方官式抬梁构架。笔者通过对大殿的结构解析，从营造法式角度对其抗震性能进行分析。

2.1 台基的抗震性能分析

《营造法式》对建筑基础的选址或者开挖有着严格的要求。比如卷三规定：“凡開基址，須相視地脉虚實。其深不過一丈，淺止於五尺或四尺，并用碎磚瓦石札等，每土三分内添碎磚瓦等一分”。法海寺上部的藏经阁和药王殿位于半硬岩与半填土区域，地震稳定性差，导致地震破坏严重。而大雄宝殿基台高度达1.2 m之多，且周边为难以浸水的花岗岩条石，台基全部位于硬岩大平台上，不会出现波浪形地震。据实地观察，历经近600年风雨地震破坏，大雄宝殿台基四周没有发现明显沉降裂缝。由于硬岩地基缺少柔性，吸收水平地震能量的能力较差，导致大殿墙体受水平地震荷载作用开裂、梁柱榫卯节点损坏。

2.2 柱的抗震性能分析

柱础又名柱顶石，《营造法式》对柱础的相关规定为：“造柱之制，其方倍柱之徑”，这说明柱础直径要宽于柱径。古建筑木柱柱根不落入地下，而是浮搁在表面平整的柱顶石上。这样做的好处不仅可以避免柱根糟朽，而且在发生水平地震时，可以通过柱底与柱顶石之间的相互摩擦运动，达到滑移减震的效果。大殿每个柱础都是一个小隔振垫，但是古建筑都有沉重的屋盖结构，当水平地震力较大时，地震位移超出柱础范围就会造成破坏。经检测，大殿内有几个柱已经出现外闪变形现象，其中最大倾斜值达126.1 mm。倾斜值较大的柱子在梁柱榫卯接头处有梁脱开的风险，柱倾斜会导致梁的支承长度严重不足，降低榫卯结构的抗震性能，结构一旦损坏会直接影响到柱间墙上的壁画。

2.3 结构抗震性分析

2.3.1 结构布局的抗震性

法海寺其他建筑如藏经阁、药王殿等大部分是单跨不稳定结构，受地震影响大，在地震中相继倒塌，而大雄宝殿则是三进深长四跨的稳定结构。该殿为单层，整体高宽比小，外墙为厚重夯土墙，建筑物刚度很大，使其抵御水平地震的能力大大增强。虽然当时还未形成针对古建结构的力学分析方法，但基于经验的认识以及采取的确保结构安全的技术措施，却已达到相当高的水平。大殿结构布局图如图1所示。

图1 大殿结构布局图

作为有墙体壁画的大殿，设计的最大弊端是将外墙体与柱紧密包裹在一起，夯筑墙体属脆性材料，与木架构相比，在承受地震荷载时摆幅有很大差别，导致每个柱子与墙体相邻的地方都有竖向裂缝，影响了室内墙体壁画的观瞻。正确的做法是建造之初墙柱分离留缝，并且壁画分成每2个柱之间为1幅画。

2.3.2 抬梁构架的抗震性

与同时期明代官式抬梁建筑进行类比分析可知：大殿属于木构架，为北方官式抬梁构架，其藻井之上为三架梁，三架梁上置脊瓜柱子支撑脊檩和扶脊木。采取梁架构造后，梁的受力方式发生改变，即由单根梁承担屋顶荷载的方式转变为多根梁分别承担屋顶荷载的方式，且各梁在竖向高度层层增加，上下层梁之间通过短柱(瓜柱)传力。这种梁架方式不仅增大了屋顶空间，有利于保温隔热，而且在受力形式上有利于减小所需梁截面尺寸，并增大梁的跨度[2]。图2为梁与梁架的抗弯分析图。从图2(a)、图2(b)可以看出，梁架形式的弯矩分布相对单梁形式不仅峰值降低，而且峰值的位置也发生了改变，这对减小单梁产生的过大变形亦有一定帮助作用[3]。这也是法海寺大殿历经近600年不倒的主要原因，体现了古人的建筑力学智慧。结合大殿梁具体位置及所在柱变形情况分析，挠度变形超过规范要求的基本上都是大殿四周边跨的短梁，说明这些梁对大屋盖的重力承受能力不足，抗弯刚度不够，梁自然弯曲变形及竖向地震力作用产生的附加压力引起变形。

(a)单梁弯矩图

(b)三架梁弯矩图图2 梁与梁架的抗弯分析图

2.3.3 榫卯节点的抗震性

我国木结构古建筑物在其梁柱节点等重要部位都应用了雀替、榫卯结构等特殊的工艺技巧以增强其连接的可靠性、灵活性和安全性等。在地震作用下，榫卯节点耗能在古建筑结构整体耗能中占有一定比例，这种连接方式使古建筑振动得到衰减，有利于减轻其震害，为建筑物的长时间保存做出了一定的贡献。

历史记载北京发生过2次大地震，加上屋顶漏雨年久失修，在常年的自然力(地震、雨雪作用)或人为破坏作用下，大殿有些梁柱榫卯节点产生了破坏现象，并威胁到结构整体稳定性能，因而很有必要对榫卯节点进行残损评估并及时采取有效的加固措施。

2.3.4 屋顶的减震作用

古建筑的屋顶是由瓦(包括底瓦和盖瓦)、石灰、胶泥、柴栈、竹笆、苇箔等多种材料组成，其自重可达400 kg/m2，这使得屋顶的重量远远大于下部的柱架结构。而屋顶的大质量特征有利于降低结构整体重心，增强榫头与卯口之间、斗拱分层构件之间的连接性能，屋顶的大质量增大了结构整体的自振周期[4]，但是从抗震角度看，质量增加带来的地震作用放大影响更大，大质量屋顶对于结构整体抗震的不利影响更大。

3 抗震加固方法

对于古建筑修缮加固要遵循现代遗产保护理念，提高遗产保护修复行为的“研究性与严密性”。在糟朽、裂缝等损伤修复加固时，要遵循最小干预原则，科学合理、最小程度地替换材料构件。由于壁画是国宝级文物，抗震加固方案应该以保护壁画为核心，为保证壁画的传承，抗震设防时长应定为千年。墙体壁画上的裂缝目前无法修复只能维持现状，而且历史上的多次地震已经使柱与墙体分离，以后地震引起的柱子摇摆不会再对墙体壁画产生影响。矫正柱倾斜变形最有效的方法是落架大修、打牮拨正，为了保护柱间墙的壁画，目前只能加强对倾斜柱子的变形监测，一旦变形加剧要立即加固。大殿室内天花梁梁身严重开裂、搭接节点歪闪严重的要进行修复与加固。

3.1 梁柱开裂与糟朽加固

对于因干缩引起的梁柱裂缝可以采用环氧树脂配剂予以灌注充填的方法，也可用碳纤维箍、无碱玻璃纤维布箍缠绕裂缝的方法，以达到加固的目的。经观察大殿内个别柱子有虫蛀或糟朽现象，为避免引起柱抗压强度不足，建议采用铁箍加固方法。同济大学于2003年在国内首次发表了碳纤维加固木柱性能试验,通过对长柱和短柱的碳纤维加固试验,发现碳纤维加固的木柱能提高10%～20%的承载能力,并能约束长柱的侧向变形和端部的受压破坏，对于腐朽、蛀空的木柱，可先用高分子材料灌注填充，再采用碳纤维片材缠绕，以增强柱的承载力。

3.2 梁柱榫卯接头加固

碳纤维布作为一种新材料，文献记载了其用于加固古建筑木结构直榫节点试验、透榫木构架抗震性能试验的研究。目前古建筑木结构榫卯节点采用碳纤维布加固仍处于试验研究阶段，没有检索到成功应用案例。目前成熟的榫卯接头加固技术是用扁钢、木夹板或钢夹板及托木进行加固[5]，这些方法的优点是能满足文物修复可逆性原则，待有新材料新技术出现时可以更换。

3.2.1 扁钢加固

即用短钢包裹住已有裂缝的梁截面，再用木钉或螺栓将扁钢固定在梁上。做法如图3所示。

图3 扁钢加固

3.2.2 木夹板或钢夹板加固

即在木柱与梁架的交接部位，可用木夹板或钢夹板加强连接，或采用U型钢加固。做法如图4所示。

图4 U型钢加固

3.2.3 托木加固

即用托木加固梁柱节点。周乾采用数值模拟的方法对四川省剑阁县觉苑寺大雄宝殿的卯榫节点进行了分析[6]，证明采用铁件与托木托接的方法可以有效地提高卯榫节点的强度。做法如图5、图6所示。

图5 托木与扒钉加固

图6 托木与 U 型钢加固

3.3 大殿整体隔震技术

人们对普通建筑只关心主体结构抗震性能，一般文物建筑强调大震可修，墙不要倒，而法海寺有国宝级壁画的建筑应该是大震不裂。法海寺在近地震场，对大殿进行整体隔震是解决墙体壁画裂缝在地震影响不再扩展的最有效方法。南京博物院老大殿主体建筑顶升了3 m进行隔震加固就是一个成功案例。理论和实践都已证明，隔震的效果能把地震作用减少60%～80%，为了古建筑“千年”不倒，让壁画永续传承，采用基础隔震是最佳选择。

3.3.1 托换方案选择

托换范围有2种可能：一是仅托换大殿；二是连同殿台一体托换。由于隔震需要自由活动空间，仅托换大殿需在殿周围设置不小于300 mm宽隔震沟，构造复杂。故建议采用连同殿台一体托换的方案，将大殿本身墙体及柱围成的整个建筑物顶升隔震，如图7所示。