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古塔抗震加固的调查与分类

2017-11-06  来自: 张建霖 张洵安浏览次数:53

我国是举世闻名的文明古国,各 式各样的古塔很多,分布地区较为广 泛,其中不乏珍品,具有较高的文物保 护价值。然而这些古塔饱经沧桑,经受 过历次地震,加上几百上千年的风化 作用,早已超出它们的寿命范围。如何 对它们进行普查及抗震加固已越来越 受人们的重视。一些学者开始着手探讨 古塔的动力性能和抗震加固方法,但 往往局限于个别古塔的理论及试验分 析与探讨上。由于古塔类型不一,结构 各异,加上现场试验费用可观,不可能 对每一座古塔都进行动力试验或仿 真,故这些方法较难推广应用到对古 塔的普查及加固中。本文根据陕西省古塔调查破坏中的一些主要因素,提出一个用于评判古塔抗震加固的综合系数,并根据实测数据对 10座古塔进 行综合分析及分类,可作为有关部门对古塔进行调查及保护的参考依据。

1、古塔的结构形式及特点

我国古塔多数为砖砌体结构,由 于不断进行探索和总结,使宝塔形成 有利于抗震的结构形式。

(1) 外形采用仿木结构,用砖砌 成常用的结构形式如半拱、椽木、梁柱 等,并在所有各层做了仿木处理,平面 和立体相互交叉,既显富丽,又给人感 觉稳重、庄严,具有很强的艺术效果。

(2) 平面呈四边形及八边形的 较多(有一些呈六边形),各墙体对称布置,自下而上有一定的锥度,无突然 的尺寸变化,克服了地震时出现的平 面扭转等问题,有利于结构抗震,应力 集中现象不严重。

( 3) 墙体较厚,个别塔底层墙厚 可达2m多。厚壁可使抗压、抗拉、抗 剪面积增大,单位面积受力减小。虽然 砖缝粘结强度较低,仍能抵抗外力而 不破坏。砖结构水塔在地震作用下往 往产生水平环向裂缝,而在古塔调查 中未发现该情况发生,可能与采用厚 墙有关。

(4) 楼阁式居多,少数采用密檐 式,一些塔下面几层空心可攀登,上面 为实心不能登上,塔高达 !-/+- 2 者 居多,形体比例比较匀称,每层层高随 高度增加而减小。塔顶上部封闭,空间 刚度较大,使单位位移提供的恢复力 也大,从而在地震发生时位移降低。

( 5) 塔体门洞开设位置多种多 样,有对称式、旋转式、交替式,也有下 面几层开门洞,上面为实心,或者为满 足立面造型的艺术需要开设一些假的 门洞。在建塔的历史过程中进行过较 多的探索及改进,巧妙地处理了门洞 位置的开设与塔体结构安全可靠性的 矛盾,尽可能减少由于门洞的开设而 削弱塔身不利于抗震的影响。

(6) 塔身大多采用砖砌体材料, 粘结材料为黄土泥浆及白灰浆两类, 由于长期的风化及腐蚀,经现场观察及 简单分析可知其粘结强度较低。但这种 形式的古塔结构阻尼较大,地震时能量 较快地被阻尼吸收,使位移衰减。 

当然,砖结构古塔也存在一些不 利于抗震的因素。首先砖结构属于脆 性材料,在地震或其他荷载作用下易 出现裂缝,使结构松弛,抗剪性能降 低,逐渐扩展可导致塔体塌落;其次砖 间粘结材料抗剪强度差,砖缝处形成 一个薄弱部位,裂缝通常沿砖缝通过; 还有一些因素如各层开门不当造成结 构刚度削弱,地质条件不良使塔倾斜, 塔自重大地震惯性力也大等。 "

2、古塔现状的调查结果

对陕西省的一些古塔现状进行调 查,得到以下两点结果:

(1) 塔体倾斜及塔身裂缝两种 情况较为常见。从现场调查的结 果可知,大部分塔均发生不同程度的 倾斜,大者可达3-5度,甚至更大。倾斜 原因较复杂,一般认为是地震对土壤 的地基软化及塔基周围地质条件不好 或常年积水使塔发生不均匀沉陷,而 这些地基支持的不对称造成的塔体倾 斜对塔整体可靠性影响最大。塔身裂 缝小者肉眼可观察,大者宽达10-15cm。裂缝有竖缝和斜缝两种,大多发生 在下面几层塔身薄弱部位,这是由于 下部受竖向荷载较大,在地震作用下 地震与重力叠加在下部,剪切力超过 塔体剪切强度所致。有的裂缝顺 砌缝裂开为弯剪破坏,有的连砖体本 身也被剪断为剪切形破坏,垂直裂缝 多为竖向地震力造成的直剪破坏,而 斜裂缝为弯曲剪切主拉应力处于 45度方向拉裂的。

(2) 塔体内外部破坏情况比较 普遍,砌体表面外鼓,多为失稳造成,个别仿木角柱与周围砌体未咬砌,约 束小,在重力作用下柱体外鼓较为严 重。一些塔由于地表环境污染使砖表 面受到腐蚀,表面破碎剥离,加上砖体 间粘结材料强度较低,底层部位较危 险。部分塔顶由于处于顶部在地震力 或风力作用下加速度大、约束差,有不 同的塌落现象。檐角和层檐同样由于 支持约束差、年代已久,砖缝粘结力降 低而损坏或部分损坏,其中上部檐角 破坏更为突出。

3、古塔的抗震加固分类

对现存建筑物的技术状态进行科 学分类是个较为复杂的问题,分类的 合理与否取决于所取主要因素是否真 正反映建筑物的生存能力。同样的一 种破坏形式发生在建筑物内的不同部 位,对建筑物的生存能力造成的威胁 也是不同的。本文尝试用量化的综合指数对古塔抗震加固进行综合评 判,主要考虑下列 六个因素及对应加权因子的取值(略)。

4、建议及结论

( 1) 随着古塔的保护越来越受 重视,应抓住时机及时修缮,尤其是倾 斜的塔体在地震力作用下易发生毁 坏,而且纠偏难度大,甚至不可能,因 此,对倾斜不严重且有保护价值的古 塔,应采取措施,制止其继续倾斜。

(2) 对古塔的修缮应与提高塔 体本身的抗震性能相结合,如恢复塔 顶,修复塔层板及楼梯,修复裂缝等修缮工作量不大,但对提高塔体的整体 刚度比较明显。

(3) 对于有观赏价值和旅游意 义的古塔,应在分类为!类时开始建 档跟踪,及时整修,既恢复其古塔的风 姿,又提高塔体结构的抗震性能,并防 止风雨的侵蚀作用。

(4) 本文是在现场测量及观测 基础上提出了综合指数,并应用它 对古塔的抗震加固进行分类,意在抛 砖引玉,也可作为有关部门对古塔进 行调查及保护的参考依据,但各分类 指数的取值标准及加权比例,有待 于建立专家数据库方能进一步完善。

关键词: 大雁塔           

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