故宫古建筑的防震科学

信息来源:科技日报更新时间:2023-02-17

    近日,土耳其发生两次7.8级地震,震级大,破坏力强,导致千年古堡加济安泰普古堡被毁。从建筑结构角度而言,加济安泰普古堡属于砌体结构,主要特点即以砖石作为建筑核心材料,砖石之间通过砂浆黏结,因而当砂浆受到地震破坏时,易诱发建筑整体破坏。相比而言,木结构建筑以弹性性能良好的木材为核心材料,且拥有平摆浮搁柱根、榫卯节点、斗拱等多种抗震构造,因而能够抵抗较为强烈的地震。故宫便是其中的代表之一。

  故宫古建筑的立柱柱根并不插入地下,而是平放在一块石头的顶面。该石头称为柱顶石,而柱根与柱顶石的连接做法称为平摆浮搁。一方面,木材在封闭的环境中容易糟朽,立柱柱根若插入地底下,很可能因为空气不流通而糟朽。另一方面,这也是隔离地震的需要。若柱根插入柱顶石内,在强大的地震力作用下,柱根很容易折断并造成古建筑破坏。而平摆浮搁的做法,使得在发生地震时,柱根反复在柱顶石表面运动,不仅不会折断,而且会产生“四两拨千斤”的效果。另柱根侧面与柱顶石侧面有一定间距,可以保证柱根始终在柱顶石表面往复滑动,而不掉下来。

  从地震工程学角度讲,平摆浮搁增大了古建筑整体的自振周期,可产生隔震效果。所谓自振周期,就是物体振动一个来回所用的时间。一般现代建筑的自振周期与地震波的自振周期接近,在地震作用下的振动幅度要放大,产生类似共振效应,因而容易受到破坏。而柱根平摆浮搁的方式,使得古建筑在地震作用下运动幅度变大,往返时间变长,自振周期远大于现代建筑,因而有利于避开地震波峰值的冲击,而产生隔震效果。

  故宫古建筑的重要特征之一,即梁与柱采用榫卯形式连接。其中,梁端做成榫头形式,柱顶做成卯口形式。榫头插入卯口后,形成稳固的榫卯节点。

  从力学角度来讲,榫卯节点属于半刚接节点。所谓半刚接节点,即节点不是完全固定,而是可以转动,但受到一定限制,不能随意转动。这种限制力源于榫头与卯口之间的挤压、咬合。半刚接节点非常有利于古建筑抗震。因为榫卯节点有限的转动能力,有利于减小梁柱构架的晃动幅度。不仅如此,榫头与卯口之间的相对滑移、旋转等运动,可以耗散部分地震能量,减小结构整体破坏。其机理在于,当地震能量作用于古建筑时,可被转化为3个部分,即构架变形的变形能,构架破坏的内能和构架(榫卯、斗拱等构件)运动的动能;当地震能量、构架变形能都不变时,榫卯节点运动产生的动能越大,则构架的内能越小,因而受到破坏的程度越小。

  斗拱为我国古建筑特有的组成部分,是位于柱顶之上、屋檐之下的,由斗形、弓形的木构件层层叠加起来的组合木构件,其外形犹如一个个倒立的三角形。

  发生地震时,斗拱的各个构件之间互相摩擦、挤压,并产生往复运动,犹如一个运动的机构体系。从能量守恒角度讲,地震波的能量传到斗拱位置时,主要分成了2个部分的能量:斗拱的内能及斗拱的动能。每个斗拱由上百个小构件组成,它们犹如机器的零件一样,在地震作用下不断产生各种运动,耗散了大量的地震能量,从而使得斗拱内能的比例很小,因而斗拱在地震作用下几乎不会产生破坏。事实上,大量的古建震害勘查结果表明,斗拱在地震作用下一般保存完好。

  故宫古建筑优秀的抗震构造,是我国古代工匠卓越建筑智慧的体现。而其中包含的古代科学机理,则值得我们去研究与弘扬。


相关推荐
MORE