歇山屋顶式木构古建抗震构造研究
歇山屋顶式木构古建抗震构造研究
（本文载于《建筑技术》2021年第3期）
1 引言
我国是多地震国家，对古建筑的防震保护，是我国文化遗产保护的重要组成部分。歇山屋顶类古建筑属于我国木构古建的一种类型，其主要组成构造包括立柱、柱架、斗拱、屋顶、墙体等。其中，屋顶为歇山样式，其做法特点即将四坡顶（庑殿顶）的上半部分用水平面切除，然后由上而下搭接两坡悬山屋顶，呈现出雄伟与俏丽造型特征[1]。近年来，部分学者开展了歇山屋顶类古建筑抗震性能及构造特征研究。如周乾等[2-4]基于数值模拟方法，以四川省剑阁县某单檐歇山古建筑为例，研究了汶川地震对加固后古建筑的影响，认为加固后的古建筑结构整体性增强，因而震害较轻；以故宫南三所单檐歇山屋顶式门廊为对象，制作了1:2比例（近似）的模型，进行了振动台试验，开展了震后模型的试验调查，认为明清官式木构古建可以抵抗烈度较大（PGA=1.5g）的地震而不发生倒塌。王丹丹等[5]基于反应谱分析方法，以某重檐歇山屋顶样式的钢筋混凝土结构建筑为对象，分析其抗震性能，并认为侧脚构造可产生有利影响。张瑜都[6]基于数值模拟方法，研究了歇山屋顶样式类钢筋混凝土仿古建筑的抗震性能，认为其“头重脚轻”的构造不利于抗震。另吕军辉等[7]基于现场调查为主的方法，研究了洛阳河南府大成殿（单檐歇山屋顶）的构造特征，并认为该建筑的构造做法包含从元代到清代的多个时代的建筑构造特征。王凤莹等[8]基于史料分析与现场调查的手段，研究了故宫养心殿正殿（单檐歇山屋顶）的构造特点和现存建筑所处年代，认为建筑螳螂头口、压掌鹅项等构造做法符合明代建筑特征。上述成果为本研究奠定了良好的基础。然而从已有研究来看，关于歇山屋顶类木构古建筑抗震构造相关的成果则很少。基于此，本研究以某单檐歇山式木构古建筑模型为例，基于模型搭建过程中柱础、柱架、斗拱、屋架、屋顶、墙体等构造的建筑技术特征，探讨其对结构整体抗震性能的影响，为该类古建筑的保护和研究提供参考。
2 抗震构造
作者联合《古建园林技术》期刊社的马炳坚先生，以故宫南三所门廊（图1）为原型，按照1:2的近似比例，设计了一座单檐歇山式木构古建模型。该模型为三开间、单进深，其最主要特点为含有我国明清官式木构古建的所有构造特征，如平摆浮搁的柱底、榫卯连接的柱架、斗拱层、七檩歇山式屋架、厚重屋顶、墙体等，且所有构造均完全按照我国木构古建的传统施工工艺进行施工。下面以该模型各构造施工的技术要点或构造做法为例，来解读单檐歇山式木构古建筑的抗震构造特征。
图1 故宫南三所门廊立面照片
(1) 柱础：本试验模型中柱础即为柱顶石，而立柱是平摆浮搁于柱顶石之上（图2-图3）。在古建筑的实际营建过程中，柱根不插入地下，既可以避免柱根部位因潮气排不出去而糟朽，又可以避免柱根与地面相交位置因地震力过大而折断。不仅如此，柱底平摆浮搁在柱顶石上还可产生滑移隔震和结构自复位的效果。其主要原因在于：地震作用下，柱底与柱顶石之间产生相对往复相对摩擦滑移及相对摇晃，其中摩擦滑移运动可基于相对摩擦方式降低上部构架的加速度峰值，并耗散部分地震能量，减弱地震力对上部构架的破坏[9]；柱根的往复摇晃运动则是上部柱架产生的恢复力矩大于地震力破坏力矩而产生，有利于产生“高位不倒翁”效果，并形成一种摇摆自复位的结构形式[10]。另由图2可知，柱顶石外皮与柱根外皮有一定的距离，其主要作用在于提供了柱根与柱顶石表面的相对运动空间，避免柱根从柱顶石表面掉落。
图2 立柱
图3 柱底与柱顶石关系
(2) 柱架：柱架由立柱与额枋组成。立柱与额枋采用榫卯形式连接。榫卯节点形式的主要构造特点为：柱顶做成卯口形式，而额枋做成榫头形式，插入卯口中，形成稳固连接。如图4所示燕尾榫节点，其榫头做成前大后小的燕尾形式，对应柱顶的卯口前小后大。榫头通过上下方向插入卯口中，不易在水平方向产生拔榫[11]，并有利于建筑快速施工[12]。不仅如此，地震力作用下，榫头与卯口之间产生相互挤压及转动，可耗散部分地震能力，从而减小结构整体的破坏[13-14]。柱架安装后的照片见图5。本试验模型中的榫卯节点主要包括小额枋与立柱之间的燕尾榫、由额垫板与立柱之间的半榫、大额枋与立柱之间的箍头榫、穿插枋与立柱之间的透榫等。另额枋是以叠合梁形式与立柱相连，由上至下分别为大额枋、由额垫板、小额枋、穿插枋。这种叠合梁形式的优点在于[15-16]：每个水平构件都能承担部分地震力产生的弯矩，因而使得柱架抵抗弯矩的能力增强；叠合梁截面类似于“工”字型，不仅对柱架整体的抗弯性能影响小，而且节约了材料。此外，各立柱采用了侧脚做法，即柱脚向外倾斜0.02m（约1%柱高）。已有研究表明[17-18]：木构古建采取侧脚构造后，柱架由平行四边形瞬间失稳体系变成三角形稳固体系，结构稳定性增强，加速度峰值峰值响应减小，因而对结构整体抗震有利。
图4 燕尾榫安装
图5 安装后的柱架
(3) 斗拱：斗拱位于平板枋之上、梁架之下，由斗、拱、翘、升、昂等构件组成。上述构件虽体量小，但数量多。本试验模型采用的是单翘单昂五踩斗拱。在安装时，上下层构件之间互相叠压，且下层构件顶面设有暗销（图6），与上层构件底面预设的暗卯搭扣，可防止构件在较小的水平外力作用下产生相对水平滑移，有类似剪力键的功能[19]；同一水平层构件之间做成凸凹状，彼此进行卡固连接（图7），有利于在地震作用下的运动复位。已有斗拱竖向加载试验结果表明[20-21]：竖向荷载作用下，传到斗拱顶部的作用力由各分层构件分担，且体量较小斗拱由于分担的作用小，因而不会损坏；而对于受力最大的坐斗部位，其竖向承压截面尺寸较大，因而亦不会产生受压破坏。已有斗拱水平抗震性能试验表明[22-23]：地震作用下，斗拱构件之间产生挤压、咬合、错动等不同形式的相对运动，可耗散部分地震能量，且以摩擦滑移耗能方式为主。此外，平板枋层类似于水平圈梁，使得斗拱层底部坐落在同一平面上，避免各斗拱不均的沉降，有利于其协同发挥抗震性能[24]。
图6 斗拱安装
图7 安装后的斗拱
（4）屋架：本试验模型为歇山屋顶，其木构架的主要特点是三架梁以下构架为四坡屋架，三架梁以上构架为两坡悬山屋架构造，且三架梁兼有踩步金（正身似梁、两端似檩，外侧面设椽窝以支撑山面椽子传来的荷载）的功能，见图8-图9。对于四坡屋架部分而言，挑檐桁、正心桁均置于斗拱层之上，一方面与斗拱层形成上下向稳固连接，另一方面自身交圈设置，且在端部在端部做成十字卡腰榫进行搭扣，形成整体水平连接层，有利于屋架层的稳定。对于悬山屋架部分而言，金三件（金枋、金垫板、金檩）、脊三件（脊枋、脊垫板、脊檩）连接各榀梁架，有利于屋架整体在纵向的稳定；金三件、脊三件以叠合梁形式安装，有利于承担较大的屋面荷载重量。另在横向，由三架梁、五架梁及竖向木构件组成梁架体系。本试验模型中，梁架总高（脊檩中心至五架梁中心距离）约为0.7米，底部宽度（挑檐桁中心距）约为2.2米，高宽比约为1/3，可满足9度常遇地震作用下抗倾覆和抗滑移的构造要求[25-26]。三架梁、五架梁之间通过瓜柱、柁墩等构件进行拉接固定，不仅保证了梁架体系的稳固，而且避免了单梁受力所需的过大截面尺寸[27]。
图8 屋架安装
图9 屋架横剖面示意图
（5）屋顶：屋顶构造主要包括屋架之上的椽子、望板、护板灰及瓦件（图10-图12）。其中，椽子与桁檩呈正交方向安装，一方面可拉接桁檩，另一方面通过出挑来缓解或避免下部木构架遭受雨淋。椽子之上的屋面板又将椽子拉结成一个整体，使得屋顶形成一个类似“蒙皮”的整体结构，有利于增强屋面整体刚度[25]。屋面板之上为泥背层。本试验模型中的泥背包括麻刀泥背和青灰背，二种灰背厚度约为0.05米，主要作用是保护望板，防止漏雨（图1）。泥背层之上为铺瓦泥及瓦件。上述泥背、铺瓦泥及瓦件的总厚度约为0.15米，使得屋顶非常厚重。已有研究表明[26]：厚重的屋顶有利于增大木结构古建筑整体的自振周期，避开地震波的卓越频率，避免木构架产生过大的摇晃，并有利于斗拱层产生良好的隔震效果。此外，厚重屋顶还可约束下部柱架，使得榫卯节点挤紧，增强建筑整体的刚度，为下部木构件提供较为充足的摩擦力和阻尼，对梁柱之间的稳固连接及柱底抗滑移起着重要作用[28]。对于屋顶最上层的瓦件而言，筒瓦（盖瓦）之间通过捉节夹垄方式连接[29]，彼此搭扣严实；筒瓦下部扣在板瓦（底瓦）之上，板瓦采用“三搭头”的连接方式，且筒瓦、底瓦侧面有铺瓦灰泥抹砌严实，因而形成较强的拉结力，有利于减小或避免地震作用下瓦件的松动与脱落。另本模型屋顶为单檐歇山式样，屋顶泥背与瓦件的质量分部出现前后坡大于左右坡的情况，因而在地震作用下，屋顶部位产生扭摆的可能性较大。
图10 安装椽子和望板
11 灰背层施工
图12 瓦件铺墁
（6）墙体：本模型中墙体分布于建筑山面，厚度为0.2m（图13）。墙体施工完全按照我国古建筑墙体施工的“填馅”法工艺进行[29]。这种施工工艺的特点是：墙体的内外面层为整砖砌筑，墙芯部分则为施工废料或碎石（图14）。这是古代工匠施工经验的总结，他们认识到墙体为非承重构造，其主要功能是起围护、保温隔热作用，因而采用了上述砌筑方法。“填馅”法工艺不仅可满足墙体的建筑功能需求，还节约了施工材料，具有“绿色环保”特性[30]。古建筑墙体虽为非承重构造，但相对于刚度较小的木构架而言，其嵌固作用可提高结构整体的侧向刚度[31]。不仅如此，在中、低烈度作用下，墙体可限制木构架产生较大幅度的晃动[32]，因而对结构整体的抗震性能有一定贡献。在高烈度地震作用下，墙体会发生倒塌，但是由于墙体并非承重构造，因而并不危急古建筑结构整体安全。大震作用下，“墙倒屋不塌”说法具有合理性[33]。
图13 墙体“填馅”法施工
图14 模型的墙体部分
3 试验验证
模型安装完成后（图15），作者进行了振动台试验，对不同构造的抗震影响进行了验证。试验在北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室试验大厅举行。模型的数据尺寸及部分试验工况的具体信息见文献[4]。本试验中，地震波为水平双向同时加载，x向（纵向）地震波的加速度峰值由PGA(x)=0.07g-1.5g逐级增长，各工况地震波加速度峰值比x（纵向）：y（横向）=1:0.85。需要说明的是，本试验为主要为展示中国木结构古建筑究竟在何种地震波烈度作用下产生倒塌，由于无法预估模型是否在高烈度地震作用下是否产生倒塌，因而仅在中低烈度地震波作用时布置了加速度传感器；地震波烈度进一步增大时，为安全起见，传感器及试验采集设备均被移去，但试验获得了宝贵的视频资料。在PGA(x)=0.07g-0.3g阶段，作者在振动台面、柱底、平板枋顶部、五架梁（桃尖梁）顶部、脊檩侧面布置了加速度传感器，以测定模型不同部位的加速度相应情况。下面对PGA(x)=0.15g和PGA(x)=1.0g两种工况条件下的试验现象进行分析。
图15 试验模型整体
(1) PGA(x)=0.15g（图16）：该工况条件下，柱底与柱顶石之间做幅度较小的相对转动，且在地震作用结束后，柱底能较好地复位。柱底与柱顶石之间的相对滑移运动不明显，可反映水平地震力尚未超过立柱与柱顶石之间的静摩擦力。柱架在地震作用下做往复摇摆，且显示出较强的复位能力。立柱与水平构架拉接的榫卯节点，未见榫头与卯口之间明显的开合运动，可反映木构架凸显出较强的整体拉接力。斗拱层近似做整体平动运动，反映了各攒斗拱之间的协同工作，且斗拱构件未见脱落，反映构件之间的暗销、卡槽连接力大于传到斗拱构件上的地震力。屋顶表现出平面内较为明显的扭摆，可反映歇山屋顶质量在不同平面的分布并不相同。这种扭摆方向是首先屋顶纵向平动、随后带动横向扭摆，但整个过程在水平面内呈现，可反映柱架各水平拉接层（大额枋、由额垫板、小额枋）、斗拱层、屋架水平拉接层（挑檐桁、正心桁、金三件）对厚重屋顶振动的有利影响。不仅如此，柱架在往复摇摆中能正常复位，这与厚重屋顶产生的抵抗弯矩大于水平地震力产生的倾覆弯矩密切相关[13]。屋顶瓦件未见掉落，可反映一方面瓦件与铺瓦泥之间有较强的粘接力，另一方面传到瓦件上的地震力并不大。墙体在地震作用下发生局部倒塌，可反映墙体较弱的抗震能力。此外，作者基于采集的加速度传感器数据进行分析[4]，结果表明平摆浮搁柱底、榫卯连接、斗拱层均有较好的减震性能；地震波加速度峰值在屋顶部位相对于斗拱层略有放大，但远小于输入地震波的加速度峰值；不同的构造中，斗拱层的减震性能最优，榫卯节点次之，浮放柱底较弱。
图16 试验视频截屏（PGA(x)=0.15g）
(2) PGA(x)=1.0g（图17）：在强震作用下，柱底在柱顶石上做明显往复摇摆—复位运动，兼有较小幅度滑移，可反映上部结构有很强的自恢复特性，且柱底与柱顶石之间产生摩擦滑移隔震。柱架产生非常明显的摇摆，期间产生较为剧烈的“吱吱”声，是榫卯节点间挤压咬合发出的声音，反映了高烈度地震作用下榫头与卯口之间充分发挥的工作状态，有利于结构整体的减震。木构架整体犹如一根顶部支撑质量块的弹簧，质量块产生较为明显的水平面内扭摆（歇山屋顶构造特征所致），而弹簧则在水平面往复摆动，可反映木构架较小的侧向刚度。然而在阻尼比不变的条件下，质量较大的屋顶及柔性木构架恰恰提供了结构整体较大的自振周期，有利于避开地震波卓越周期，产生隔震效果[34]。位于平板枋与正心桁之间的斗拱层始终做近似整体运动，各攒斗拱相对坐斗产生转动的现象不明显，未见斗拱构件脱落现象，可反映传到斗拱层的地震力要远小于输入地震波的强度。此外，在高烈度地震波作用下，模型的屋顶与屋架做同步振动，瓦件未见掉落，这无疑离不开浮放柱底、榫卯节点、斗拱的减隔震作用。对模型整体而言，在强震作用下，墙体已经倒塌，但木构架整体基本完好，展示出我国木结构古建筑遭受大震却“墙倒屋不塌”的优秀抗震性能。
图17 试验视频截屏（PGA(x)=1.0g）
4 结论
单檐歇山式木构古建有着良好的抗震构造，主要表现在以下几个方面：
（1）柱底平摆浮搁在柱顶石上，有利于减小柱底破坏，且在地震强度较大时产生摩擦滑移隔震效果；
（2）柱架的构件之间采用榫卯节点的连接方式，在地震时通过榫头与卯口的挤压咬合运动可耗散部分地震能量。
（3）斗拱层有较好减隔震作用。
（4）屋架低矮，有利于避免在地震作用下产生倾覆；屋架各构件之间的相互拉接有利于高屋架的整体性。
（5）歇山屋顶样式使得屋面质量在不同方向并不相同，在地震作用下产生局部扭摆的振动形式，但厚重的屋顶有利于增强下部构架的稳定性，并提升斗拱的隔震性能。
（6）墙体在中低烈度地震作用下可以限制木构架的晃动幅度；在大震作用下墙体倒塌，但不影响木构架整体的抗震性能。
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（作者信息：故宫博物院故宫学研究所）