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故宮古建筑的防震科學

信息來源:科技日報更新時間:2023-02-17

    近日,土耳其發生兩次7.8級地震,震級大,破壞力強,導致千年古堡加濟安泰普古堡被毀。從建筑結構角度而言,加濟安泰普古堡屬于砌體結構,主要特點即以磚石作為建筑核心材料,磚石之間通過砂漿黏結,因而當砂漿受到地震破壞時,易誘發建筑整體破壞。相比而言,木結構建筑以彈性性能良好的木材為核心材料,且擁有平擺浮擱柱根、榫卯節點、斗拱等多種抗震構造,因而能夠抵抗較為強烈的地震。故宮便是其中的代表之一。

  故宮古建筑的立柱柱根并不插入地下,而是平放在一塊石頭的頂面。該石頭稱為柱頂石,而柱根與柱頂石的連接做法稱為平擺浮擱。一方面,木材在封閉的環境中容易糟朽,立柱柱根若插入地底下,很可能因為空氣不流通而糟朽。另一方面,這也是隔離地震的需要。若柱根插入柱頂石內,在強大的地震力作用下,柱根很容易折斷并造成古建筑破壞。而平擺浮擱的做法,使得在發生地震時,柱根反復在柱頂石表面運動,不僅不會折斷,而且會產生“四兩撥千斤”的效果。另柱根側面與柱頂石側面有一定間距,可以保證柱根始終在柱頂石表面往復滑動,而不掉下來。

  從地震工程學角度講,平擺浮擱增大了古建筑整體的自振周期,可產生隔震效果。所謂自振周期,就是物體振動一個來回所用的時間。一般現代建筑的自振周期與地震波的自振周期接近,在地震作用下的振動幅度要放大,產生類似共振效應,因而容易受到破壞。而柱根平擺浮擱的方式,使得古建筑在地震作用下運動幅度變大,往返時間變長,自振周期遠大于現代建筑,因而有利于避開地震波峰值的沖擊,而產生隔震效果。

  故宮古建筑的重要特征之一,即梁與柱采用榫卯形式連接。其中,梁端做成榫頭形式,柱頂做成卯口形式。榫頭插入卯口后,形成穩固的榫卯節點。

  從力學角度來講,榫卯節點屬于半剛接節點。所謂半剛接節點,即節點不是完全固定,而是可以轉動,但受到一定限制,不能隨意轉動。這種限制力源于榫頭與卯口之間的擠壓、咬合。半剛接節點非常有利于古建筑抗震。因為榫卯節點有限的轉動能力,有利于減小梁柱構架的晃動幅度。不僅如此,榫頭與卯口之間的相對滑移、旋轉等運動,可以耗散部分地震能量,減小結構整體破壞。其機理在于,當地震能量作用于古建筑時,可被轉化為3個部分,即構架變形的變形能,構架破壞的內能和構架(榫卯、斗拱等構件)運動的動能;當地震能量、構架變形能都不變時,榫卯節點運動產生的動能越大,則構架的內能越小,因而受到破壞的程度越小。

  斗拱為我國古建筑特有的組成部分,是位于柱頂之上、屋檐之下的,由斗形、弓形的木構件層層疊加起來的組合木構件,其外形猶如一個個倒立的三角形。

  發生地震時,斗拱的各個構件之間互相摩擦、擠壓,并產生往復運動,猶如一個運動的機構體系。從能量守恒角度講,地震波的能量傳到斗拱位置時,主要分成了2個部分的能量:斗拱的內能及斗拱的動能。每個斗拱由上百個小構件組成,它們猶如機器的零件一樣,在地震作用下不斷產生各種運動,耗散了大量的地震能量,從而使得斗拱內能的比例很小,因而斗拱在地震作用下幾乎不會產生破壞。事實上,大量的古建震害勘查結果表明,斗拱在地震作用下一般保存完好。

  故宮古建筑優秀的抗震構造,是我國古代工匠卓越建筑智慧的體現。而其中包含的古代科學機理,則值得我們去研究與弘揚。


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