第24卷 第12期2008年 12月自然辩证法研究Studies in Dialectics of NatureV ol.24,No.12Dec.,2008文章编号:1000-8934(2008)12-0047-05中国古建筑结构抗震哲学思想探索盛志刚,刘海笑(天津大学建筑工程学院,天津 300072)摘要: 5 12 汶川地震,造成大量建筑结构的严重破坏。
如何提高房屋和其他结构的抗震性能,再次成为人们关注的焦点之一。
结合我国古代几个典型的抗震建筑结构范例,本文探讨了古人在结构设计上的一些哲学思想。
这些哲学思想,包括 整体性 和 以柔克刚 等,曾指导古代工匠建造出许多屹立千年、历经多次地震而不倒的建筑。
但这些思想在今天的建筑设计上,并未得到充分重视和体现!!!这不得不引起现代建筑和结构设计者的严峻反思。
通过对这一问题的反思,本文初步归纳了古建筑哲学思想给今天结构抗震设计的几点启示。
关键词:结构工程;抗震结构;中国古建筑;哲学思想;整体性;以柔克刚中图分类号:N 031 文献标志码:A收稿日期:2008-10-10作者简介:盛志刚(1963!),江苏徐州人,天津大学建筑工程学院博士后,研究方向:结构抗震工程;刘海笑(1966!),甘肃兰州人,天津大学建筑工程学院教授,研究方向:结构动力学。
1 概 论5.12 汶川地震,造成大量建筑结构的严重破坏,给人民群众的生命财产带来巨大的损失。
这些建筑大多是最近几十年设计建造起来的,为什么在遭遇地震时却如此脆弱?做为世界的地震多发国之一,怎样大力提高一般结构(房屋、水坝、桥梁等)的抗震性能,以尽力保证我国人民群众的生命财产安全?这些问题再次引起广大民众和各级政府的深切关注,也再度引起我国建筑工程界的严峻反思。
纵观中外的地震灾害史,历次地震(尤其是强震)所造成的大量毁灭性破坏,大多与房屋和河堤结构的破坏有关。
在我国地震史上,这种例子很多。
如1068年8月河北河间地区发生6 5级地震,就导致 大河决溃,地复震裂,庐舍摧塌,人民压溺,几已万数 ,造成城池毁坏、房屋倒塌和上万人死亡的巨大灾难。
再如1879年7月甘肃省武都地区发生8 0级大地震,导致 山岩崩坠,河水涌塞,后复冲开,水势汹涌,致河北街民房尽行淹没,伤人无数 ,造成了近3万人死亡、楼桥大面积崩塌的严重灾害∀1#。
1976年的唐山地震之灾,则至今仍为国人之痛。
在世界地震史上,此类例子也很多。
1923年9月1日,日本关东发生8 3级大地震,东京和其他城市共震毁房屋25 5万间。
地震引发的火灾,使44 7万间房屋毁于一旦,共导致14 2万人死亡或失踪。
震灾之后,内阁政府被迫下台,天皇只得另外组建新政府∀2,3#。
1960年5月22日,在智利发生8 9级地震(这是近百年来震级最大的地震,也有人说是9 3级)。
震中地区几十万幢房屋大多严重破坏,有些地方在几分钟之内下沉近2米之多,仅当地居民死亡就达5700人∀2#。
但是,在世界地震史中也有很多屡经地震(甚至强震)而不倒的建筑。
仅在我国现存的古代建筑中,就有很多典型的范例。
例如西安的大、小雁塔,山西的应县木塔(佛宫寺释迦塔),天津蓟县独乐寺的观音阁,以及辽宁义县奉国寺的佛教建筑群等。
这些建筑都是历经千年的高大建筑(高度从20多米到60多米不等),在数次甚至数十次强烈地震中都经受住了考验。
很多时候甚至是在周围的全部建筑都被地震破坏殆尽的情况下,它们却屹然壁立而梁柱不圮∀4-6#。
对比今天大量的一般结构并不高超的抗震性能和50至70年的使用年限,这些古建筑不仅可谓稳固如山而且寿长若海!为什么这些依靠木石砖瓦等原始材料搭建起来的高大建筑,能够经得起上千年来多次大地震的考验?古代工匠们采取了哪些结构措施来保证这些建筑的超强抗震性能?其中又蕴涵了怎样的哲学智慧呢?认真探索一下这些问题,对提高今天各种建筑结构的抗震水平具有很好的借鉴意义。
2 现代结构工程的抗震思想及困惑从各种高坝大桥和奇楼深洞的修建竣工中,常人不难想象现代结构工程发展水平的日新月异。
借助数学力学和材料科学的发展,加上计算机技术的47引入,今天的土木工程已经发展为非常庞大而繁杂的体系。
但是,由于工程实际的复杂性,许多情况下我们仍然无法准确计算结构的承载力,甚至难以确定结构的真实受力状况。
导致这一结果的主要原因之一,是一些客观条件过于复杂。
在结构抗震工程中,这种状况尤为突出。
结构抗震的复杂性,首先表现在地震的不确定性上。
这种不确定性(也称随机性),至少可以归结为三点:时间不确定,方向不确定和大小不确定。
地震的大小和方向的不确定,是常人容易理解的,无非是地震发生在哪个位置方向、震级具体多大都是事先不知道的。
而时间的不确定性就要复杂一些。
时间的不确定包括三点:一是地震发生的具体时间不确定(无法预报);二是地震的持续时间不确定;三是地震波的基本振动周期(基本频率)不确定。
如果说发生和持续的时间不确定可以通过多层预警系统来防范的话,那么基本频率(含能量最大)的不确定性就非常难以设防。
其中的危险就在于:当地震的基本频率与所建结构的自振频率相等或接近的话,将会产生破坏性极大的共振现象!!!此时即使是设防等级很高的建筑,也很难避免遭受严重破坏。
结构抗震的复杂性,还表现在结构构件的材料和几何形状等的不确定性上。
因为生产工艺和施工条件的原因,即使是同一批产品,其质量也很难得到统一保证,更何况施工人员素质和各种客观条件的千差万别。
因此,各种工程质量隐患几乎无处不在,只是大小不同而已。
国家出台的越来越严格的各种建筑规范,就是为了尽力避免各种质量隐患超出一定的允许范围。
正是基于上述原因,现代结构工程在应对抗震问题时,主要不是采用确定性的结构计算方法,而是引入基于概率理论的极限状态设计法,以及基于工程经验的概念设计法。
由此,我国确定了建筑抗震设计的基本原则是 小震不坏,中震可修,大震不倒∀7#。
但即便如此,在结构抗震上,公认的事实是 概念设计比计算设计更重要。
究其原因,还是涉及的因素过于复杂,导致一般的抗震设计计算难以给出足够合理的结果。
引入 极限状态设计法,是允许结构出现一定概率的失效(破坏或不能继续使用),而不是处处保证结构的安全。
而所谓的 概念设计,则是借鉴以往工程实践中总结出来的一些经验,用以指导结构的抗震设计。
譬如 尽量选择平、立面几何形状简单的设计方案, 尽力保证平、立面的刚度和质量分布对称,以及 强柱弱梁 强剪弱弯 强节点,强锚固等等∀7#。
简单对称,是为了传力明确、便于分析,避免复杂因素可能带来的不利影响。
强弱分明,则是为了保住一旦破坏后果严重的构件(如主要的柱子),适度牺牲部分允许破坏的构件(如部分横梁等)。
通过局部破坏和较大的变形,可以大量消耗地震传给结构的能量,从而达到保全整体的目的(至少在超强地震下能延缓一段时间,以赢得宝贵的抢救时机)。
将这一思想概括起来,人们得出了 延性抗震的概念。
所谓的 延性(结构),是相对于 脆性(结构)而言的,就是在地震的作用下,保证结构能产生较大的变形,而不出现瞬间发生完成的脆性破坏。
打个比方可以形象地说明这一理论:一张桌子在受到激烈摇晃时,如果桌腿发生断裂,那么整个桌子就会倒塌,上下的东西都难以保全;如果仅是横撑发生了破坏,那么过后只要适度修理一下就能再次使用了;即使无法避免整个桌子最终倒塌,如果能通过横撑的变形破坏来消耗振动能量并延缓一段时间,也可以为抢救上下的物品赢得宝贵的时机。
正是由于 延性抗震概念的引入,彻底改变了以往依靠结构的强度去抵抗地震的错误观念!!!正如墨西哥著名的地震工程专家罗森布卢斯(E Rosenblueth)所指出的那样: 为了满足我们的要求,人类所有财富可能都是不够的,大量的一般结构都将成为碉堡∀8#。
因此, 延性抗震的概念不仅能达到依靠部分结构构件的破坏来保全整体结构的目的,而且可以大量节省人类的财富。
由上述讨论不难看出,现代结构工程学已经建立起系统的结构抗震理念。
但是,这就一定能保证设计建造出抗震性能良好的建筑结构吗?现代结构工程师就能自如地应对各种地震问题吗?墨西哥著名的地震工程专家埃斯特瓦(L Esteva)曾经指出: (结构)抗震设计与其他工程设计相比,更容易陷入严格地但却盲目地应用最新的技术条款,而建造出的却是低劣的结构∀9#。
由此可见,如果只去生搬硬套有关规范和算法,而不努力提高对结构抗震本质问题的认识,不形成深刻而系统的抗震设计理念,最终的结果可能将事与愿违。
3 我国古建筑的主要特点及抗震原理从结构工程的角度来看,我国的古建筑具有一些非常典型的特点。
体现在结构的抗震设计上主要有三点:一是 整体性(整体配合),二是 以柔克刚,三是 积柔为刚、 刚柔相济。
如果说结构的 整体性思想主要表现在建筑的平面和立面的设计上,那么 以柔克刚的思路往往体现在细部构造的48自然辩证法研究 第24卷 第12期处理上,而 积柔为刚 刚柔相济则是 整体配合和 以柔克刚等设计思想融合升华的结果。
正是这些思想的有机结合,才产生了 四两拨千斤的效果!!!我国的古代工匠借助极原始的木石砖瓦等材料,建造出许多结构灵巧而抗震性能极高的建筑。
(1) 整体性结构的思路 从平面上看,我国的古建筑很少建造平面布局复杂的结构,一般都采用长宽比不大于2∃1的矩形或规则多边形。
这种规则的平面布局,能够有效地抵御地震力。
此外,古建筑常常是正中间的一间(明间)最大,两侧的次间和梢间则较小。
这种主次分明的结构布局,对抵消地震扭矩的破坏作用非常有利。
不难看出,这些思路与现代结构工程颇为相似,但时间则要早得多!从立面上看,古建筑一般由台基、柱网、梁架和屋顶等构成。
较高等级的房屋建筑,在梁柱和屋顶之间还设有 斗栱层的结构。
其中,台基基础是一种面积较大的整体式基础,基础顶部往往高于地面数尺。
这种基础类似于现代结构工程的 筏式整体基础,很像一个运载着船楼等上部结构的船体,在地震的 惊涛骇浪中保持较高的稳定性。
这不仅可以减小地震对上部结构的震荡冲击,而且能有效地避免建筑在底部出现剪切破坏(这种破坏对结构极为不利)。
柱网由一个个独立的柱子联合组成。
建造时把柱脚立于柱础之上,底部与地袱等构件连接;柱顶则分别与阑额和横梁等构件连接,使整个结构形成一个闭合的空间体系。
地袱、阑额和横梁类似于现代结构工程中的上下圈梁,能够有效地减小柱头和柱脚的移动,增强整个建筑的整体性。
此外,在主要的梁柱之间往往还设有斜撑,这不仅可以进一步提高结构的整体性,而且可以大力提高整个建筑对地震水平冲击荷载往复作用的抵抗能力。
立面上的梁架结构,大多都采用抬梁式构架。
这种构架就是在柱顶沿房屋进深的方向,架设数层叠架的梁。
叠架的梁逐层缩短,形成下大上小的三角形屋架。
这种构造方式经过大量地震的检验,证明其抗震性能良好。