山地古建筑木結構抗震性能研究評述

潘毅 陳建 安仁兵 易督航

摘 要：山地古建筑木結構是中國古建筑的重要組成部分，因其柱底不等高約束而與平地古建筑木結構存在建筑布局、結構特點和抗震性能等方面的差異。近年的古建筑震害調查表明：高烈度區山地古建筑木結構的破壞程度一般重于平地古建筑木結構。為更好地保護山地古建筑木結構，闡述了山地古建筑木結構的基本概念，總結了山地古建筑木結構的建筑特點、結構形式和結構特點，根據多次古建筑震害調查結果，分析了山地古建筑木結構的基礎破壞、柱腳滑移、榫卯破壞、柱架扭轉、屋面破壞和構架垮塌等典型震害特征及其震害原因，并指出其與平地古建筑震害的異同，從動力特性、分析模型、抗震機理、破壞模式和加固方法等方面闡明了山地古建筑木結構抗震研究的關鍵科學問題，為后續抗震性能研究指明思路和方向。

關鍵詞：山地建筑;古建筑;木結構;抗震性能;震害特征

中圖分類號：TU366.2 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2022）02-0010-12

基金項目：國家自然科學基金（51878559）

作者簡介：潘毅（1977- ），男，博士，教授，主要從事結構工程抗震與加固研究，E-mail：panyi@swjtu.edu.cn.

Abstract： Ancient timber structures on sloped lands are an important part of the ancient Chinese architecture. Due to the unequal height constraint at the bottom of columns， they are different from the ancient timber structures on flat lands in the aspects of architecture layout， structure characteristics and seismic performance. In recent years， the investigations on seismic damage of ancient buildings show that the damage degree of ancient timber structures on sloped lands is generally more serious than that on flat lands. To protect ancient timber structures on sloped lands much better， the basic concept of ancient timber structures on sloped lands is expounded and the architecture characteristics，structure forms and structure characteristics of ancient timber structures on sloped lands are summarized. According to the results of many investigations on seismic damage of ancient buildings， the typical earthquake damage characteristics and causes of ancient timber structures on sloped lands are analyzed， such as foundation failure， column foot slip， mortise-tenon failure， column frame torsion， roof failure and frame collapse.The similarities and differences between seismic damage of the ancient timber structures on flat lands and those on sloped lands are pointed out.The key scientific problems of seismic research on ancient timber structures on sloped lands are illustrated from the aspects of dynamic characteristics， analysis model， seismic mechanism， failure mode and reinforcement method and the thinking and direction for the subsequent seismic performance research are pointed out.

Keywords：structures on sloped lands; ancient structures; timber structures; seismic performance; seismic damage charateristics

中國幅員遼闊，地形地貌豐富多樣。其中，山地約占全國總面積的1/3[1]。由于地理環境、宗教文化和生產生活等原因，許多古建筑修筑于山地之上。山地起伏大、坡度陡，一些古建筑不得不建于坡地之上，導致結構底部抗側力構件的約束部位不在同一水平面，且不能簡化為同一水平面。這類古建筑定義為山地古建筑。底部抗側力構件主要是由木材組成的山地古建筑則定義為山地古建筑木結構。

自21世紀以來，中國先后發生5級以上地震600余次[2]，大多分布于西部地區。而西部多有山地、丘陵地貌，其間分布著大量古建筑木結構。歷次震害調查表明，古建筑木結構均受到不同程度的地震破壞，尤其是處于高烈度區的山地古建筑木結構[3-5]。與平地古建筑木結構相比，山地古建筑木結構不僅具有柱腳平擺浮擱和榫卯連接等常規特征，還具有由地形引起的柱底不等高約束、平面和豎向不規則等獨特性。在地震作用下，山地古建筑木結構的受力更為不利，震害特征更為顯著。文獻[6-14]對山地古建筑的歷史演變、營造手法和構造特點進行了闡述，文獻[15]對尼泊爾的山地古建筑震害進行了調查和分析，文獻[16]對不等高木構架的受力機理進行了分析，文獻[17]對某典型山地古建筑木結構的抗震性能進行了分析，文獻[18]對青城山靈官殿的動力特性做了動力測試和分析。目前，古建筑木結構抗震性能研究主要針對平地古建筑，雖然有部分山地古建筑木結構構造特點和抗震性能的分析，但山地古建筑木結構的抗震性能研究還存在很多不足。

基于對山地古建筑木結構的定義，本文介紹了山地古建筑木結構的建筑特征，總結山地古建筑木結構的結構形式和特點，結合多次震害調查，分析其震害特征和原因，探討山地古建筑木結構抗震性能研究的不足，并提出其抗震研究中的關鍵科學問題。

1 建筑特征

中國山地古建筑木結構受地理環境、宗教文化和生產生活等因素的影響，形成了豐富多樣的山地建筑形態特征。首先，山地古建筑木結構在選址時受地理環境的影響。以西南地區為例，境內地形地貌復雜多樣，其中，四川、重慶和貴州等地的山地面積分別達到各自總面積的79.52%、75.33%和61.70%，丘陵面積分別達到各自總面積的11.03%、15.60%和31.10%，大量的山地、丘陵促使了山地古建筑木結構的產生。

其次，山地古建筑木結構在建造時受宗教文化的影響。道教作為中國本土宗教，在其發展過程中形成了崇尚自然，追求天人合一的思想，使得道觀往往選址于環境清幽的名山大川[8]。道觀的修建十分注重與自然環境的共生共榮，避免大面積的開挖、回填，而選擇“筑臺、吊腳、下跌、上爬、讓出、鉆進”等依山就勢的山地營建方法[9-10]。同時，古代摩崖石刻的發展促使了摩崖建筑的興起，摩崖建筑“靠山、附崖”，應勢而生，使寺院與山川共融[11-12]。這些道觀、寺院等山地古建筑木結構由于需要公共空間，通常體型較大，形式復雜，可歸納為寺觀類山地古建筑木結構，如圖1所示。

再次，山地古建筑木結構的建造還受到生產生活的影響。西南山地、丘陵間的大量傳統聚落將較平坦的地形留作耕作生產之需，民居不得不面對復雜、局促的山地、丘陵地形。與寺觀類山地古建筑木結構不同，民居的空間相對私密。因此，民居通常體型較小、構架簡單，建筑的營造形式更加靈活機動、不拘一格，采用“架、吊、挑”等處理方法來消除地形高差，以“拖、梭、落”等營造方式，使建筑形態變化與高差變化有機結合[13-14]，形成層層疊疊、錯落有致的空間布局。雖然這些民居多為近代建造，但仍然沿用了古建筑木結構的營造方式。因此，將這類建筑歸納為民居類山地古建筑木結構，如圖2所示。

2 結構特征

2.1 結構形式

由于建筑布局的豐富性，山地古建筑木結構的結構形式具有多樣性。根據底部抗側力構件的約束端與地面或邊坡不同的連接形式，并參考《山地建筑結構設計標準》（JGJ/T 472—2020）的術語，山地古建筑木結構可分為4種結構形式：掉層式、吊腳式、附崖式和懸挑式，如表1所示。

2.2 結構特點

盡管山地古建筑木結構結構形式多樣，但具有一些共同的結構特點。

1）柱底不等高約束。柱底不等高約束直觀地表現在柱底與山體連接的標高不同，這在掉層式、吊腳式和附崖式結構中均有體現。地震作用通過不同接地高度的立柱傳遞到結構上，導致結構各層受到的作用力差異較大，易產生薄弱層，引起結構的破壞[22-23]。不等高約束是造成山地古建筑在受力、變形方面與平地古建筑存在差異的主要原因。

2）結構抗側剛度不均勻。山地古建筑木結構將長短不一的立柱平擺浮擱于兩個或多個不同標高的礎石之上，將橫枋、橫梁嵌固于不同標高的山體崖壁之中，這些抗側力構件布置往往隨形就勢，靈活多變，充分利用地形地勢，導致結構的抗側剛度不均勻[16]。

3）結構扭轉效應顯著。由于結構的平面和豎向布置不規則，抗側剛度不均勻，抗扭構件非對稱性布置等因素，使得山地古建筑木結構的剛心和質心具有較大的偏離，在地震作用下會產生較為明顯的扭轉效應[17，24]。當結構建造于高臺基、山頂或局部突出地形上時，地震的扭轉分量進一步放大[25]，導致上部結構的扭轉效應更為顯著。

4）土結構相互作用明顯。山地古建筑木結構與山體崖壁間聯系緊密，尤其在靠崖式與懸挑式結構中，橫梁插入山體中，采用木楔子將橫梁與山體擠緊，形成類似于現代“膨脹螺釘”的嵌固方式[26]。因此，土體與結構的相互作用對結構的剛度、振型和穩定性有較大影響[27-28]。

3 震害特征

近十余年來，中國先后發生了汶川地震、玉樹地震、蘆山地震、九寨溝地震和長寧地震等多次強震，對山地古建筑木結構造成了較為嚴重的破壞。歷次震害調查表明，山地古建筑木結構有基礎破壞[29]、柱腳滑移[30]、榫卯破壞[30]、柱架扭轉[3]、屋面破壞[31-32]和構架垮塌[32-33]等震害特征。有些震害特征與平地古建筑木結構類似，有些震害特征則體現出山地古建筑木結構的獨有特點。

3.1 基礎破壞

一般來說，古建筑的地基基礎主要由地基、基礎和臺基3個部分組成[34]。而山地古建筑的地基通常為不等高的臺面或斜坡，甚至是局部凸起的巨石。在建造時通常采用磚石在邊坡或巨石上砌筑寬大的臺基，上部木結構則常采用掉層式和吊腳式，以獲得更大的建筑空間。在強震作用下，臺基處的剪力較大[35]，導致砌體的灰縫開裂，嚴重時引起臺基的不均勻沉降，甚至局部垮塌。由于山地結構與邊坡之間的聯系一般比較緊密，微小的邊坡變形可能會在結構中引起較大的附加內力[36]。在地震中，山地古建筑木結構不僅要承受地震作用，還要承受邊坡、臺基變形所導致的結構附加內力。

理縣籌邊樓的臺基砌筑于突起的巨石之上，臺基上部再修建木結構樓閣，樓閣局部采用吊腳的結構形式。在汶川地震中，籌邊樓的臺基受剪出現局部垮塌，嚴重威脅到上部木結構的安全，如圖3所示。都江堰秦堰樓修筑于山體斜坡之上。在汶川地震中，由于邊坡地基下沉導致戲樓、廂房等建筑嚴重損毀或局部垮塌，如圖4所示。同時，都江堰二王廟內多處也因地基失穩、山體滑坡而導致上部木結構出現不同程度的垮塌，如圖5所示。

3.2 柱腳滑移

古建筑木結構的立柱平擺浮擱于礎石之上，在地震作用下，柱子可能會出現滑移[38]、搖擺[39]等現象。這使得柱腳滑移成為了平地和山地古建筑木結構較為常見的震害特征之一，但山地古建筑木結構的柱腳滑移量往往更大。由于掉層式山地建筑木結構存在明顯的抗側剛度不均勻，其層間位移和樓層剪力的最大值出現在上接地層[17]，加大了上接地層的柱腳滑移量。在汶川地震中，青城山祖師殿就發生了較大的柱腳滑移，如圖6所示。

3.3 榫卯破壞

古建筑木結構梁柱節點采用榫卯連接。在地震中，這種半剛性節點通過自身榫和卯之間反復的摩擦滑移和擠壓來消耗地震能量[40-41]，使得結構具有良好的減震耗能性能[29]。因此，在地震作用下，平地古建筑木結構榫卯節點的震害特征通常表現為拔榫[4]。而山地古建筑木結構的抗側剛度不均勻，其受力較平地古建筑木結構更為不利，榫卯節點震害更為嚴重。除了常見的拔榫，榫卯還可能出現榫頭、卯口的劈裂。在汶川地震中，掉層式青城山祖師殿的榫卯節點卯口處就嚴重開裂，如圖7所示。

3.4 柱架扭轉

在山地古建筑木結構中，柱底的不等高約束會使上接地層的剛度中心和質量中心不重合，導致結構在水平地震作用下發生一定程度的扭轉[42]。同時，由于地形、地勢的限制，山地古建筑的布局往往還存在平面不規則，進一步加大結構的偏心，放大結構的扭轉效應。在汶川地震中，由于結構平面不規則和豎向剛度不均勻，青城山真武宮木構架發生了明顯的扭轉，墻面出現了不同程度的傾斜，如圖8所示。同時，山地古建筑木結構顯著的扭轉效應使結構產生過大的柱腳滑移量和榫卯轉動量，導致柱架出現嚴重傾斜。在蘆山地震中，蘆山佛圖禪寺發生了較大的傾斜，如圖9所示。

3.5 屋面破壞

古建筑木結構屋面多采用小青瓦鋪作而成，屋脊裝飾有吻獸、人物等。屋面震害主要是屋面溜瓦、吻獸脫落等。由于小青瓦通常直接鋪作在屋架椽條間，或輔以灰漿攤鋪于望板之上，瓦件與木屋架間缺乏牢固的連接，在地震下發生擾動而脫落[3]。同時，屋脊處的各種吻獸、人物等裝飾物僅依靠灰漿與屋架連接，地震作用下容易產生鞭梢效應，地震反應加劇，易發生脫落損壞。在汶川地震中，都江堰二王廟入口的屋面瓦件幾乎全部掉落損毀，如圖10所示;都江堰伏龍觀屋脊吻獸脫落、屋脊受損，如圖11所示。

3.6 構架垮塌

在地震作用下，山地古建筑木結構垮塌的概率通常大于平地古建筑木結構，特別是修建在高聳山頂上的山地古建筑木結構。這主要是因為地震波在高聳孤立的山體內經過反射、散射和疊加后，在到達坡頂時，其水平分量會有明顯放大，同時，坡頂處的豎向地震作用效應顯著，不可忽略[25]。在汶川地震中，建于竇圌山山頂的云巖寺竇真殿完全垮塌，如圖12所示，而山下的古建筑損毀卻相對輕微。

4 待解決的問題

由于山地古建筑木結構的特殊性，導致其結構特征、震害特征與平地古建筑有所區別，到目前為止，還沒有形成系統的抗震理論，尚存在許多不足，有待深入研究。

4.1 動力特性不清楚

山地古建筑木結構的動力特性是研究其抗震機理的重要基礎。而結構剛度、非結構構件[43]以及柱腳約束形式[44]等非確定性參數也會影響古建筑木結構的動力特性，且數值模型很難準確建立。學者們對平地古建筑木結構進行了很多原位動力實測與分析[44-48]，有助于人們掌握其動力特性規律。由于柱底不等高約束、側向剛度不均勻等結構特點，山地古建筑木結構動力特性規律不能照搬平地古建筑木結構。然而，目前山地古建筑的動力特性測試較少[18，49]，尚不能掌握其動力特性的基本規律。盡管文獻[18]對青城山靈官殿進行了原位動力特性實測，但僅關注結構前兩階頻率與振型，而對于扭轉模態和高階模態參數的識別還不夠。因此，有必要對典型山地古建筑木結構進行動力特性測試，搞清楚結構的動力特性規律和影響因素，為準確建立數值分析模型奠定基礎。

4.2 分析模型不完善

數值模擬作為科學研究的重要方法之一，建立合理準確的山地古建筑木結構數值分析模型是研究其抗震與加固的重要基礎。目前，學者們針對山地古建筑木結構的半剛性榫卯節點[16，50]、柱腳節點[17]進行了理論分析，建立了能夠在結構彈塑性地震反應分析中反映節點變剛度性質的彎矩轉角力學模型，并將其運用到整體結構的桿系模型中。不少山地古建筑木結構由于地處深山，氣候潮濕，為避免底層柱的過早腐朽，通常采用石柱營造，平擺浮擱于礎石之上，但目前尚無較為完善的石柱柱腳力學模型，在分析模型中仍采用鉸接處理[18]。在地震響應分析中，利用桿系模型能夠高效快速地得出結構的宏觀響應，但無法獲取關鍵節點的應力、應變以及損傷情況，不能明確具體的薄弱部位和破壞機理，而實體模型則需較高的計算成本。因此，有學者將多尺度建模方法引入到一榀等高木構架的抗震分析中，榫卯節點采用精細化實體單元，梁柱采用桿系單元，利用多點約束方法實現兩種模型單元的變形協調[51]，然而，多尺度模型至今尚未在山地古建筑木結構中得到應用。因此，當前亟需完善山地古建筑木結構相關節點的力學模型，提高桿系模型的合理性、精確性，完善山地古建筑木結構多尺度建模方法。

4.3 抗震機理不明確

抗震機理是分析山地古建筑木結構抗震性能的必要內容。強震下，山地古建筑結構平面質心的慣性力對剛心產生扭轉力矩，迫使結構產生平動和扭轉的耦合變形，導致結構的抗震機理復雜[52]。正因如此，山地古建筑結構的震害更為嚴重。通過理論分析和模型試驗，學者們研究了掉層和吊腳RC框架結構的地震響應以及抗震機理[53-55]。而古建筑木結構中的半剛性榫卯節點和柱腳連接形式，使得山地古建筑木結構的地震響應和抗震機理與RC框架結構有很大區別，因此，不能照搬山地RC框架結構的抗震機理。當前，亟待建立山地古建筑木結構動力響應方程，分析影響抗震機理的關鍵因素，明確山地古建筑木結構的抗震機理。

4.4 破壞模式不清晰

山地古建筑木結構的破壞模式是古建筑木結構進行抗震加固的重要前提。盡管山地古建筑與平地古建筑的震害特征類似，但也有所區別[56-57]。文獻[18]對某典型山地古建筑木結構的抗震分析表明，由于結構平面和豎向不規則、抗側剛度不均勻，山地古建筑木結構的破壞模式是由上接地層扭轉和上接地端柱腳滑移控制，且地震作用方向的不同也會使其地震響應規律和薄弱位置發生改變。雖然通過數值模擬可初步判別山地古建筑木結構的破壞模式，但無法直觀反映薄弱層或關鍵構件的破壞對結構整體破壞影響的全過程。同時，一些山地古建筑木結構靠近斷層，在近斷層脈沖型地震動作用下，其破壞模式也可能不同[58]。因此，建議通過擬靜力試驗、振動臺試驗、多尺度數值模擬等方法，明確典型山地古建筑木結構的破壞模式，為山地古建筑木結構抗震加固提供指導。

4.5 加固方法不合理

山地古建筑木結構的抗震加固一般沿用傳統加固方法，如使用鋼構件[59]、扒釘[60]及扁鋼[61]加固榫卯節點、梁柱節點附加支撐[62]等。但在強震下，傳統抗震加固方法可能造成梁和柱的損傷或破壞，不一定能更好地保護古建筑，且有的加固方法不符合古建筑保護原則。對古建筑木結構抗震加固方法進行有益的探索，近年來成為熱點[63-65]。其中，阻尼器能給木結構提供附加阻尼，增強榫卯節點和穿斗式木結構的耗能能力[66-67]。與傳統加固方法相比，阻尼器能有效減小加固節點相鄰構件的內力和結構地震響應，在一定程度上克服傳統加固方式的不足[38，68]。因此，可采用阻尼器對山地古建筑木結構進行抗震加固，并通過模型試驗研究阻尼器參數、加固位置及阻尼器數量對加固效果的影響，以探明阻尼器在山地古建筑木結構抗震加固的有效性，進而提出適宜山地古建筑木結構的抗震加固方法。

5 結論

闡述了山地古建筑木結構的基本概念，總結了山地古建筑木結構的建筑特點、結構形式和結構特點，歸納了山地古建筑的震害特點，分析了其震害原因，并闡明了山地古建筑木結構抗震研究中亟待解決的關鍵科學問題，主要結論如下：

1）按照柱腳約束端與地面或邊坡不同的連接形式，山地古建筑木結構可分為掉層式、吊腳式、附崖式和懸挑式4種結構形式。山地古建筑木結構具有柱底不等高約束、抗側剛度不均勻、結構扭轉效應顯著和土結構相互作用明顯等結構特點。

2）強震作用下，山地古建筑木結構有基礎破壞、柱腳滑移、榫卯破壞、柱架扭轉、屋面破壞和構架垮塌等典型震害特征。同等條件下，山地古建筑木結構震害通常比平地古建筑木結構嚴重。

3）由于山地古建筑木結構的獨有特點，建議從動力特性、分析模型、抗震機理、破壞模式和加固方法等方面開展山地古建筑抗震性能研究，為山地古建筑保護提供理論支持。

（致謝：感謝西南交通大學建筑與設計學院張宇、陳穎，成都文物考古研究院陳曉寧，都江堰市文化體育和旅游局傅浩等提供的幫助和部分資料！）

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（編輯 胡玲）

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