芦山地震古建筑震害调查与分析
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第34卷第1期2014年2月 地 震 工 程 与 工 程 振 动EARTHQUKE ENGINEERING AND ENGINEERING DYNAMICS Vol.34No.1 Feb.2014 收稿日期:2013-10-08; 修订日期:2013-10-20 基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(51208234);中国地震局地震科技星火计划青年项目(XH12021Y) 作者简介:洪海春(1977-),男,高级工程师,博士,主要从事地震岩土工程、地震灾害预防和地震应急救援研究.E⁃mail:haichunhong@ 文章编号:1000-1301(2014)01-0147-09DOI :10.13197/j.eeev.2014.01.147.honghc.019芦山地震古建筑震害调查与分析洪海春1,石玉成2,刘 拓3,王恒知1,詹小艳1(1.江苏省地震工程研究院,江苏南京210014;2.中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州730000;3.北京大学地球与空间科学学院,北京100086)摘 要:根据芦山地震极震区和重灾区古建筑的震害现场调查资料,进行震害特征与破坏原因分析。
古建筑结构形式主要包括木结构、石结构、砖木结构和砖石结构。
通过分类和归纳的方法,得到古建筑的典型震害特征包括基础剪断、墙体开裂、抹灰掉落和顶部局部塌落等。
古建筑遭到破坏的成因机制包括:鞭鞘效应、竖向地震作用、传力机理变化等。
分析了不同结构形式古建筑的地震破坏作用差异性等,同种结构形式的古建筑比普通房屋建筑的抗震性能要好。
同时,讨论了不同结构类型古建筑的抗震维护与加固措施、抗震传力机理以及隔震和减震等,为古建筑抗震设防和抗震加固、减轻灾害等提供参考。
关键词:芦山地震;古建筑;震害调查与分析;抗震机理及抗震措施;维护与加固中图分类号:TU36;P315.92 文献标志码:AInvestigation and analysis of earthquake damage to ancient buildings induced by Lushan earthquakeHONG Haichun 1,SHI Yucheng 2,LIU Tuo 3,WANG Hengzhi 1,ZHAN Xiaoyan 1(1.Institute of Earthquake Engineering of Jiangsu Province,Nanjing 210014,China;nzhou Institute of Seismology,CEA,Lanzhou 730000,China;3.School of Earth and Space Sciences,Peking University,Beijing 100871,China)Abstract :Based on the data of field investigation,researches on characteristics and causes of ancient buliding damage in meizoseismal region and severely damaged region induced by Lushan earthquake are carried out.The structure form mainly includes wood structure,stone structure,brick wood structure and brick stone structure.Through the methods of classification and induction,it is found that the typical damage characteristics mainly in⁃clude shear cut of base,walls fracture,plastering drop,and local collapse of the top.The formation mechanism of the destroyed ancient buildings are the vertical seismic action,whipping effect,change of force transferring mecha⁃nism.The damage differences induced by Lushan earthquake of different structures of ancient buildings are ana⁃lyzed.The anti⁃seismic capacity of ancient buildings is better than ordinary buildings under the same structure.Meanwhile,the reinforcement and maintenance methods of seismic fortification,anti⁃seismic force transferring mechanism,and the techniques of seismic isolation and shock absorption concerning different ancient buildings are discussed.Therefore,the obtained results can offer reference to earthquake fortification of ancient buildings,and the reduction of damage loss.Key words :Lushan earthquake;ancient buildings;investigation and analysis of earthquake damages;seismic forti⁃fication mechanism and measures;reinforcement and maintenance841地 震 工 程 与 工 程 振 动第34卷引言2013年4月20日08时02分,在四川省雅安市芦山县(N30.3°,E103.0°)发生7.0级地震,此次地震造成大量人员伤亡和房屋建筑大面积倒塌破坏等,其中包括部分古建筑破损。
我国的古建筑具有极高的文物、历史和艺术价值,是中华民族乃至世界建筑艺术的瑰宝[1]。
古建筑是国家和民族文化的宝贵传承,正因为其不可复制与不可再生的特性,因此,提高古建筑的抗震性能,是地震工作者的神圣职责。
我国古建筑的结构形式以木结构、石结构为主,砖木结构和砖石结构为辅。
此次芦山地震对部分古建筑造成不同程度的破坏或者损毁,其中,有的全国重点文物保护建筑也遭遇到不同程度的破坏。
例如,雅安市的高颐阙是东汉时期红砂石仿木结构建筑,为中国汉阙中保存最完好、雕塑最精美的;石结构高颐墓阙的阙体震裂,母阙和子阙间有漏斗状的窟窿、墓阙屋檐的边缘线与阙身已不在同一平面,部分砂岩构件的片块震掉在地,阙体移位、错动,其损毁程度介于轻微破坏和中等破坏之间。
一方面,古建筑建造时间久远,虽然经历多次地震等自然灾害的侵蚀,但是依然保留较完整,表明其具有一定的抗震防灾能力;另一方面,古建筑缺乏保养、维修和加固等。
因此,结合此次芦山地震中古建筑的震害调查资料,分析古建筑的震害特征,对于研究古建筑的抗震性能及其震害规律是十分必要的。
针对汶川大地震等造成古建筑遭受的不同程度破坏,根据震害调查统计和典型震害分析,从整体情况来看,总结出不同结构类型的古建筑所表现的反应特征各不相同[1-4]。
有的学者从木结构的榫卯、斗拱和柱础的连接方式和构造措施等,起到减震耗能作用等受力特性着手进行分析[5-7],有的学者探讨砖石古塔震害程度与地震烈度对应关系[8],有的学者探讨砖石古塔震害机理、抗震机制和加固方法[9,10],有的学者采用数值模拟的手段研究砖木结构不同部位的动力响应、加固方法等[11-13],但是,对于石结构和砖木结构的古建筑震害的研究和分析并不多见。
相对而言,在此次芦山地震中,木结构和石结构的震害相对较轻,而砖石结构、砖木结构的震害则比较严重,造成这些差异的主要原因初步推测为砖石结构、砖木结构的古建筑在鞭鞘效应、竖向地震作用、传力机理变化和局部场地条件等方面对震害有较大的影响,在这些方面的研究,相关的分析和探讨相对较少,有待于进一步深入研究。
本文根据芦山地震中的古建筑的震害现场调查资料,进行震害特征与破坏原因分析,讨论了不同结构类型古建筑的抗震维护与加固措施、抗震传力机理以及隔震、减震方法,为古建筑抗震设防和抗震加固、减轻灾害等提供参考。
1 震害现象及特征分析1.1 木结构震害现象及特征分析雅安市有部分清末时期修建的木结构四合院古建筑,在此次地震中表现了很好的抗震性能。
例如,太平镇袁家大院、龙门乡张家大院、灵关镇王家大院、上里镇韩家大院、思延乡费家大院、清仁乡罗家大院等处于极震区和重灾区的四合院落,除屋脊掀翻、滑落几块瓦片外,基本没有受到结构性破坏,可以继续使用,有的甚至作为临时安置点和避难场所,如图1所示。
然而,普通的砖混结构、砖木结构农村民居则受损要相对严重,有的甚至局部或者整体倒塌,大多数需要拆除重建。
关于古建筑抗震性能的分析普遍存在以下三个方面的不足:(1)未考虑斗拱的减震作用;(2)未考虑弹塑性阶段,榫卯节点及斗拱非线性刚度特征;(3)未考虑侧脚的影响[3]。
研究表明,榫卯连接、斗拱及侧脚等构造措施均有利于减小结构的地震响应。
古建筑木结构中柱础处的浮搁构造是上部结构抵御地震的一道重要防线,但是,如果其滑移量过大则有可能使柱根中心偏出柱础甚至使柱滑落,造成较严重的震害[2,3]。
实际的震害中较少看到柱根滑落柱础的现象。
国内外尚无专门针对这类古建筑结构进行抗震能力分析的具体规范、规程及计算方法的规定。
有的研究者根据古建筑的震害资料及古建筑物的结构特点,结合近年来国内外在结构可靠性理论研究所取得的进展和成果,采用基于结构承载能力极限状态的计算方法进行古建筑抗震性能计算分析[4]。
木构架的组成采用榫卯结合,具有可靠的整体性,木材本身具有的柔性,再加上榫卯节点有一定程度的可活动性,使整个木构架在消减地震力的破坏方面具备很多的潜力,可以做到以柔克刚。
由于结构本身存在第1期洪海春,等:芦山地震古建筑震害调查与分析图1 木结构四合院基本完好Fig.1 Intact wood structures侧脚的有利构造,缓冲了结构的侧向变形,可以避免倒塌和毁坏。