木构架古建筑的地震损伤特征与规律研究

袁建力，李胜才，宋 拓

（扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225009）

引言

中国木构架古建筑是人类文化遗产的重要组成部分，具有宝贵的历史、艺术和科研价值。我国是地震多发国家，现存的木构架古建筑大多遭受过地震损伤，归纳其地震损伤特征和规律，制订相应的防震减灾规划，是文化遗产保护的重要举措。

唐山大地震之后，中国建筑科学研究院、中国地震局工程力学研究所对包括古建筑在内的各类工程进行了震害资料收集和震害特征分析［1－4］；汶川特大地震、芦山地震之后，四川省文物管理局、四川省文物考古研究院以及一批热衷于文物保护的高校，积极开展古建筑震害状况的调查和分析工作，汇集了更为丰富的古建筑震害资料［5－13］。文献［4，10－12］按照古建筑的震害程度，提出了震害分类或等级划分的方法；文献［3，6－13］还针对古建筑的震害特征，提出了抗震加固的建议。由于上述文献资料涉及的古建筑类型较多，且基本为一次地震的震害案例，难于对木构架古建筑的震害规律进行系统的研究。文中对唐山地震、汶川地震、芦山地震中木构架古建筑的震害资料进行了梳理和补充，采用分类归纳和统计分析方法，核定地震烈度、震害程度等关键指标，研究地震损伤特征和规律，并参照我国现行抗震设防标准，建立木构架古建筑震害程度与地震烈度的表述关系，为制订相应的防震减灾规划提供基本依据。

1 木构架古建筑的震害统计

木构架古建筑通常由台基、木构架、墙体和屋顶4 部分组成，木构架为主要承重体系。进行地震资料分析时，宜将台基、墙体和屋顶的震害归并，以突出考察木构架的震害；此外，为了评定木构架古建筑的整体震害程度，可根据各组成部分的震害状况分为以下4个等级。

（1）轻度破坏：台基开裂；墙体开裂；屋脊开裂，饰件少量跌落，瓦片少量滑落；木构架榫卯松脱，个别柱脚位移。

（2）中度破坏：台基破裂；墙体严重开裂或局部歪闪；屋脊破碎，饰件跌落，瓦片局部滑落；木构架榫卯拔出，部分柱脚位移或个别构架倾斜。

（3）严重破坏：台基破碎或局部沉降；墙体破碎、歪闪或局部倒塌；屋面局部坍塌，瓦片大面积滑落；木构架榫卯折断，柱脚大幅度位移，大部分构架倾斜。

（4）完全破坏：台基严重沉降或垮塌；墙体大部分倒塌；屋顶整体塌落；木构架部分倒塌或全部倒塌。

1.1 唐山地震震害统计

1976年7月28日3 时42 分，中国河北省唐山丰南一带发生了里氏7.8 级强烈地震，震中烈度Ⅺ度，震源深度12～16 km。这是我国历史上一次罕见的城市地震灾害，北京和天津市受到严重波及，地震破坏范围超过3万km2，震中区域的房屋大部分倒塌，造成约24.2万人死亡、16.4万人重伤。由中国地震局发布的唐山地震烈度分布图见图1。

图1 唐山地震烈度分布图Fig.1 Intensity distribution of Tangshan earthquake

唐山地震的震级大、震源浅、烈度高，对建筑物的损害非常严重。震区的民用砖木结构房屋，在6～7 度区已发生明显的损坏，在8度、9度及以上的高烈度区大多数严重破坏、倒塌。相对而言，木构架古建筑的总体地震损伤程度略轻，倒塌数量较少；但在6 度区已有较多古建筑发生损坏，在高烈度区也有一些年久失修的古建筑遭到严重破坏或倒塌。唐山地震木构架古建筑的震害情况如表1所示。

表1 唐山地震木构架古建筑震害Table 1 Seismic damage of ancient timber frame buildings in Tangshan earthquake

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1.2 汶川地震震害统计

2008年5月12日14 时28 分，在四川省阿坝藏族羌族自治州一带发生了里氏8.0 级特大地震，震中汶川县的地震烈度达到Ⅺ度。地震波及大半个中国，地震破坏范围超过10 万km2，共造成6.9 万人死亡、1.8 万人失踪、37.5万人受伤，是唐山大地震后伤亡最严重的一次地震。由中国地震局发布的汶川地震烈度分布图见图2。

图2 汶川地震烈度分布图Fig.2 Intensity distribution of Wenchuan earthquake

汶川地震不仅给人民生命财产造成巨大损失，也使许多珍贵文化遗产受到严重损毁，而处于震中的四川地区尤为严重。据四川省文物局2008年6月底统计，在此次地震中，有83处全国重点文物保护单位受损，占总数的65%；174处省级文保护单位受损，约占总数的30%；还有803处市、县级文物保护单位有不同程度损坏，约占总数的27%。汶川地震中全国和省级文物保护单位中木构架古建筑的震害情况如表2所示。

表2 汶川地震四川木构架古建筑震害Table 2 Seismic damage of ancient timber frame buildings in Wenchuan earthquake

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1.3 芦山地震震害统计

2013年4月20日8时02分四川省雅安市芦山县发生里氏7.0级地震，震源深度13 km，震中烈度Ⅸ度，震中芦山县龙门乡99%以上房屋垮塌，成都、重庆及陕西部分地区均有较强震感，受灾面积12 500 km2。据中国地震局网站消息，截至24日14时30分，地震共计造成196人死亡、失踪21人、11 470人受伤。由中国地震局发布的芦山地震烈度分布图见图3。

图3 芦山地震烈度分布图Fig.3 Intensity distribution of Lushan earthquake

芦山地震中文化遗产也遭受了重创。根据国家减灾委公布的《四川芦山“4·20”强烈地震灾害评估报告》，地震灾区中共有24 处全国重点文物保护单位，78 处省级文物保护单位，157 处市县级文物保护单位不同程度受损；而处于震中的雅安地区尤为严重。芦山地震中全国和省级文物保护单位中木构架古建筑的震害情况如表3所示。

表3 芦山地震四川木构架古建筑震害Table 3 Seismic damage of ancient timber frame buildings in Lushan earthquake

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2 木构架古建筑的典型震害

2.1 木构架震害

木构架为梁柱排架结构，质量轻、刚度小，在地震时吸收的冲击能量较小，损伤程度一般较轻；且梁柱的节点采用榫卯结合，具有较好的转动耗能作用，可避免构架发生脆性破坏。

木构架在低烈度区的震害主要为节点拔榫、柱脚滑移，在高烈度区会发生榫卯断裂、构架倾斜等严重震害；一些年久失修或构造有缺陷的木构架，在强烈地震作用下也会倒塌，如唐山大地震中，位于丰南县10 度区一座古庙的木构架全部倒塌（图4）。

图4 丰南古庙木构架倒塌［1］Fig.4 Collapsed timber frame in Fengnan Temple［1］

2.2 围护墙震害

木构架古建筑围护墙的质量和刚度均较大，在地震时吸收了建筑中较大部分冲击能量，其损坏程度通常比木构架严重。

围护墙的震害主要为墙体开裂、歪闪，严重时破碎或倒塌；在汶川地震中，位于烈度8度区的四川平武报恩寺天王殿、大雄宝殿墙体歪闪，转轮藏殿山墙垮塌（图5）。

图5 平武报恩寺山墙垮塌［5］Fig.5 Collapsed gable of Pingwu Baoen Temple［5］

2.3 屋顶震害

屋顶位于木构架古建筑的顶部，在地震中位移、变形较大，容易发生屋脊断裂、饰件跌落和瓦片滑落震害，严重时屋盖局部或整体塌落。

唐山地震中，位于丰南县10 度区的一座古庙，因年久失修、构架破损，在强烈地震作用下屋顶被抛出台基之外（图6）。

图6 丰南古庙屋顶抛落［1］Fig.6 Falling roof in Fengnan Temple［1］

2.4 地基震害

地震导致的地基滑坡，常使古建筑台基严重损坏、上部结构倒塌。

汶川地震中，一些位于高烈度区不利地段的古建筑，因山体滑坡、地基失效而严重破坏；如都江堰二王庙古建筑群，较多建筑的台基破坏、木构架倾斜、墙体和屋顶坍塌；建造在绵阳窦圃山顶的云岩寺，由于山体滑坡，殿堂大部分破坏，窦真殿全部垮塌（图7）。

图7 云岩寺窦真殿垮塌［5］Fig.7 Collapsed Douzhen Hall of Yunyan Temple［5］

3 木构架古建筑的震损规律

3.1 地震损伤的数据统计

根据表1～表3 的震害资料以及地震损伤程度的评定，可统计出木构架古建筑在地震烈度6 度、7 度、8度、9度及以上区域中，各级损伤程度数量和所占比例，见表4。

表4 木构架古建筑在三大地震中的损伤数量与所占比例Table 4 Damage quantity and proportion of ancient timber frame buildings in three major earthquakes

3.2 地震损伤的一般规律

参照《中国地震烈度表》（GB/T 17742－2020）［14］数量词的界定方法，建筑物损伤数量所占比例的定义为：（1）“个别”为10%以下；（2）“少数”为10%～45%；（3）“多数”为40%～70%；（4）“大多数”为60%～90%；（5）“绝大多数”为80%以上。则由表4中的比值，可对木构架古建筑地震损伤的一般规律表述如下：

（1）6度区：木构架古建筑大多数轻度破坏，少数中度破坏，个别严重破坏；

（2）7度区：木构架古建筑多数中度破坏，少数轻度破坏，少数严重破坏；

（3）8度区：木构架古建筑多数严重破坏，少数轻度破坏，少数中度破坏；

（4）9度及以上区域：木构架古建筑大多数严重破坏，少数中度破坏，少数完全破坏。

4 木构架古建筑的抗震对策

通过对唐山地震、汶川地震、芦山地震的震害资料分析可知，木构架古建筑在地震作用下的损伤特征较为明显，表现为低烈度下的易损性、高烈度下的抗倒性和地基失效的毁坏性；针对这些震害特征，可提出相应的抗震鉴定和加固的对策。

4.1 改善低烈度下的易损性

木构架古建筑在低烈度下就出现了较为明显的损伤状况，震害主要为墙体开裂、屋顶滑瓦、饰件跌落、木构架榫卯松脱、柱脚位移等。从总体上看，木构架古建筑在低烈度区的震害程度尚不严重，但损伤较为普遍且数量众多（见表4）；一些构造不合理或年久失修的建筑也会发生严重的损伤和变形，对建筑和人员的安全产生不利的影响。

木构架古建筑在低烈度下的易损性，与墙体、屋顶、木构架的构造及制作质量密切相关，也与修缮保护程度有直接的关系，需要采取相应措施进行控制。对位于抗震设防6度、7度区的木构架古建筑，应以构造和制作质量为主，结合修缮保护状况进行抗震鉴定，提出相应的修缮加固措施，改善其易损性；对位于7度区的建造年代久远、构造有缺陷以及保护状况较差的古建筑，尚需进行抗震能力验算，提出结构加固的方案。

4.2 提升高烈度下的抗倒性

木构架古建筑在8度及以上高烈度区大多遭受了较为严重的损坏，且震害随着烈度的增大而明显加剧，墙体破碎倒塌、屋顶坍塌、木构架倾斜等震害均有发生。但是，在9度及以上区域内的木构架古建筑，除了因山体滑坡、地基失效或年久失修而导致建筑整体倒塌的情况外，尚有不少“墙倒屋不塌”的实例，表现出良好的抗倒塌性能。如汶川地震中位于9度区的大多数木构架古建筑，在墙体和屋顶垮塌的情况下，木构架仍未倒塌（见表2）。

木构架古建筑在高烈度下的抗倒性，与木构架的结构构造密切相关，其榫卯的有效拉接、斗栱的摩擦耗能以及屋盖的整体结合，是保持木构架在强烈地震作用下“晃而不倒”的关键因素。此外，经过抗震加固的木构架古建筑，再次遭遇强烈地震袭击时，大都显示了较好的抗倒塌性能，保证了建筑和人员的安全；如芦山地震中位于8 度区的平襄楼、位于9 度区的青龙寺大殿（见表3）在汶川地震后进行了抗震加固，结构抗震性能有效提升，芦山地震时再次经受了强震考验，整体结构安然屹立，保证了建筑和人员的安全。

由于木构架古建筑在高烈度区出现了严重的震害，将危及建筑和人员的安全；对位于抗震设防8度、9度区的古建筑，均应进行抗震构造鉴定和抗震能力验算，提出结构和构造加固的方案，以提升其抗倒塌性能；对位于9度区的古建筑，尚应进行木构架抗倒塌验算［15］，并采取合适的加固措施，以确保木构架“大震不倒”。

4.3 消除地基失效的毁坏性

地震造成的地基失效，轻则导致古建筑的墙体倒塌、木构架倾斜，重则导致古建筑的整体垮塌，是位于抗震不利地段的古建筑最易发生的震害；在汶川地震中，一些位于山顶、坡地上的木构架古建筑，均因山体滑坡、地基失效而严重受损或破坏（见表2）。

鉴于地基失效对建筑和人员的严重危害性，首先要对地震时可能发生塌方、滑坡或沉陷的地段进行鉴定，确定是否为不利地段或危险地段，并提出确实的防护和加固措施，以消除地基失效的根源；在保证地基稳定可靠后，再对木构架古建筑进行结构抗震鉴定或抗震能力验算。

5 结论与建议

根据唐山地震、汶川地震、芦山地震的震害资料统计分析可知，木构架古建筑的震损程度随着地震烈度的增大趋于严重，且两者之间具有较为直接的对应关系；按照本文提供的地震损伤程度分级方法和《中国地震烈度表》（GB/T 17742－2020）的相关指标，可较好地表述木构架古建筑在各级地震烈度下的损伤程度和一般规律。

木构架古建筑的震害特征可归纳为低烈度下的易损性、高烈度下的抗倒性和地基失效的毁坏性；这些特征与木构架古建筑的结构构造、制作质量和维护状况密切相关，也取决于古建筑所在场地的稳定状况；对木构架古建筑进行有针对性的抗震鉴定并按照文物保护原则采取合理的加固措施，可有效地改善其易损性、提高其抗倒性、消除地基失效的隐患，实现防灾减灾的目标。

我国是地震多发国家，现存木构架古建筑遭受地震损坏的数量众多，但目前所获得的震害资料主要源自大地震中受损的国家和省级文物保护单位，尚不包括数量较多的市县级文物保护单位。目前，国家文物主管部门正在组织编写《古建筑结构健康监测技术导则》，准备充分利用互联网技术，建立各级古建筑的地震灾害检测和信息系统，及时全面地收集地震灾害资料；这一举措将进一步提高木构架古建筑地震损伤评价的科学性，有利于古建筑抗震规划和设防标准的合理制定。