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古塔益寿延年的科学保护技术

2018-03-25  来自: 摘自袁建力《古塔保护技术》(科学出版社)浏览次数:55

中国塔的历史悠久、类型丰富、分布地域广,充分反映了中华文明的发展与传承,展现了各地各民族的艺术特征,是我国乃至世界的重要文化遗产。中国自东汉时期开始造塔,至今已有两千多年的历史,各个时期遗存的塔,代表了当时的社会风貌和科学技术水平,可为历史考古提供翔实的证据。中国在科学技术尚不发达的封建社会阶段,就成功地建成高达60 多米的木塔和80 多米的砖塔,展示了古代工程技术人员勇于探索的精神和工程经验的积累,也为现代建筑科学的创新发展提供有益的借鉴。源于佛教的中国古塔,结合中国传统文化的特色,在建筑造型和艺术风格上均有了很大的创新,并带动了东亚地区古建筑的发展,体现了中华文明包容兼用、推陈出新的精神,对新时期的中外文化交流和人类共同进步有着积极的指导意义。 

古塔科学保护的意义

中国宝塔融合了中外文化与建筑艺术的精华,是古代高层建筑的杰出代表。屹立在神州大地上的古塔,以其高耸挺拔的造型和精致典雅的结构展示着文物建筑的特有功能,构筑了历史文化名城和旅游胜地的标志性景观,体现了中华传统文化艺术和建筑技术的高度成就。

中国自汉代,开始建造宝塔,目前存世的古塔大多已有数百年或上千年历史,具有极高的历史、艺术和科学研究价值。新中国成立之后,古塔的保护工作得到了国家和各级政府的重视,在对遗存古塔考证、勘定的基础上,许多重要的古塔被列入国家、省市文物保护单位,并逐步实施了维修和加固。自改革开放以来,古塔保护的力度显著加大,列入全国重点文物保护单位的古塔从1982年之前的三十多处增加到2013年的四百多处,充分显示了盛世修浮图的深刻涵义。

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我国现存的古塔,列入县级以上重点文物保护单位的不足三千处,且大多数古塔经历了长期的环境侵蚀或人为损坏,加之自身的薄弱构造和材料老化,结构的整体性能已严重衰退,急需加固和修缮。针对古塔的损伤特征和安全现状进行有效的诊断、提出合理的保护措施、延长古塔的使用寿命,是一项重要的基础性工作。随着我国经济社会建设的发展,政府和社会各界对古塔保护的关注度以及经费投入在逐步增加;各级古建园林管理部门、科研院所和高等学校,已积极开展了古塔保护研究工作,并取得了较为丰富的成果。进一步提炼和推广古塔的保护技术,对古塔实施系统的科学性保护,是提升中华传统文化实力的一个组成部分,必将产生相应的经济价值和重要的社会意义。 

古塔科学保护的技术

古塔的保护是一项系统的科学工作,需要认真遵循文物保护和结构安全的原则、积极推动传统工艺和现代科技的有效结合。一座古塔的健康诊断、可靠性鉴定及修缮加固,通常涉及测量测绘、无损检测、结构性能评价、地基基础加固与塔体扶正、塔身加固及构件修缮等多项科学技术。

古塔测量测绘技术

测量测绘是确定古塔几何现状、变形特征的基础性技术工作,准确、全面的测绘资料是古塔有限元建模和结构安全性评估的重要依据。

古塔的测量测绘通常包括:(1)平面和高程控制测量;(2)细部测量和图纸绘制;(3)沉降、位移、倾斜及裂缝观测。

古塔的测量测绘方法已实现了传统平面、高程控制测量与现代GPS定位测量的结合,测绘仪器也由传统水准仪、经纬仪、全站仪向现代三维激光扫描系统的发展。

古塔无损检测技术

古塔由于建造年代久远、原始记录不全,塔体的内部构造以及地基基础等隐蔽工程参数难于获得;现存的古塔大多经历了地震、风雨等自然灾害的破坏和侵蚀,其材料和结构均存在着不同程度的损伤。运用无损检测技术确定古塔的材料性能、结构状况和隐蔽工程参数,是古塔健康诊断和可靠性鉴定的关键性工作。古塔的内部构造和地基基础等隐蔽工程,可采用冲击回波法、探雷达检测等现代测试技术进行探测和分析。

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探地.雷达法(Ground Penetrating Radar Method)是上世纪末发展起来的高新技术方法,适用于检测非金属材料,其对材料穿透能力强,可探测较大深度,并且可通过改变天线频率来实现探测深度和分辨率的转换。古塔结构的材料特点为使用探地.雷达技术识别特征参数提供了必要的物理前提条件。

结合古塔隐蔽工程的探地.雷达应用,建立损伤识别图谱、采用数值模拟技术进行损伤状况的正演数值模拟,可有效地提高现场检测图谱的识别水准。

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古塔动力特性测试技术

古塔的动力特性包括结构的自振频率、振型和阻尼比等参数,主要由结构形式、结构刚度、质量分布、构造连接和材料性质等因素决定。地震、强风、火灾等自然灾害都会使古塔遭到一定程度的损坏,从而造成古塔的原有结构性态改变;材料老化造成结构的刚度降低,也将引起动力特性的变化。因此,可以从结构的动力特性来确定结构的损伤状态,并对结构进行可靠性鉴定;对古塔的抗震鉴定和加固来说,动力特性的研究有着更直接的意义。

动力特性的研究可通过两种途径进行:一是建立理论力学模型的方法;另一种是通过对结构现场实测的方法。鉴于古建筑的文物保护要求,古塔动力特性的现场实测一般采用环境激振法,也称为脉动法,是利用外界自然环境因素(如地面振动、风或气压的变化等)形成的脉动作为结构振动激励源,测试过程对结构不产生损伤。

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古塔有限元模拟分析技术

随着计算机技术的飞速发展,有限元模拟分析技术在古塔研究中得到了不断的提高。从最初采用的多质点悬臂杆模型,继而到平面有限单元,又发展到三维空间有限单元。目前,对于古塔模型的弹性动力学分析,研究较为广泛、成果比较丰富。然而,古塔结构自身内部构造较为复杂,裂缝、局部破碎、材性裂化等各种损伤普遍存在,导致古塔在地震作用下的动力反应呈现出明显的非线性特征;对古塔进行弹塑性动力学分析研究,是有限元模拟分析的发展方向。

综合考虑古塔结构损伤特征、上部塔体与地基的相互作用等因素,建立砖石古塔结构分析模型,对古塔进行动力弹塑性计算分析,数值模拟地震作用下古塔结构的动态响应过程,分析研究其结构性能、破坏演化规律,可以为古塔的抗震鉴定和加固提供合理的技术依据。

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古塔的基础加固与塔体扶正技术

古塔的体型高大、基础相对较小,对地基的变形较为敏感,绝大多数古塔的倾斜与地基的变形、基础的损坏直接相关。对倾斜古塔的扶正,应从地基和基础的加固着手。

古塔地基的加固,可根据地基承载力、地基土的组成和处理深度等要求,采用树根桩法、石灰桩法、注浆加固法等。古塔基础的加固,需综合考虑地基承载力、基础的承载力和刚度要求,选用基础补强注浆加固法、加大基础底面积法、加深基础法等。倾斜古塔的塔体扶正方法,可分为迫降扶正顶升扶正两大类;古塔扶正工程需要建立监测与控制系统,加强施工过程的观测监控,达到安全、平稳、科学扶正的目标。

苏州虎丘塔是现存年代最久且倾斜度最大的八角形楼阁式砖塔,该塔因基础不均匀沉降导致塔身倾斜,至使塔顶向东北偏移2.325米,倾斜角达2°48′1981年至1986年,中国工程界对这座濒临险境的古塔进行了全面加固修缮,采用了围、灌、盖、调、换的系列加固技术,以强化地基为主、塔体纠偏为辅,控制了塔基沉降,稳定了塔身倾斜,为保护文化遗产提供了有益的借鉴。

古塔益寿延年的科学保护技术|学术交流-西安大雁塔保管所

古塔益寿延年的科学保护技术|学术交流-西安大雁塔保管所

古塔的塔身加固修复技术

古塔属于高耸砌体结构,塔身兼具建筑造型和承重结构的双重功能,其加固应综合考虑古塔的建筑外观、结构受力性能、砌体的损伤程度和分布特征等因素,力求实现原状文物保护原则和结构安全的统一。2008年汶川8.0级特大地震中,处于高烈度区的砖石古塔遭受了严重的损坏。在震后古塔的修复工程中,一批新技术、新材料成功地用于塔身的加固修复;其中大多数古塔采用了嵌筋加固工艺,以保持古塔的原有外观和增强砌体结构的整体抗震性能。

嵌筋加固工艺是在塔身的砌体中开槽,将高强度钢筋沿塔身的竖向和横向嵌入、固定,形成整体钢筋网箍,然后将开槽部位用高强度砂浆填实,再用原有的砖块将塔身外表面复原。嵌筋加固的目的,是在尽量保护古塔原貌的基础上,将竖向钢筋和横向钢箍构成的约束网箍与原有的砌体紧密结合,形成新的配筋砌体结构,增加古塔的抗震承载力和抗变形性能。合理的嵌筋加固工艺和可靠的施工方法,是遵循文物修缮原则、提高古塔抗震性能的重要保证。

 

关键词: 大雁塔           

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