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【抗震知识】山西应县木塔抗震原理分析

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  山西应县佛宫寺释迦塔,也就是应县木塔,是全国重点保护文物单位,中国古代传统建筑杰出抗震能力的集中代表。

  木塔建于公元1056年,塔高67.3米,底层直径30.3米,是世界上现存唯一最古老最高大的纯木结构楼阁式建筑。全塔结构上没用一颗铁钉,全靠木结构和54种斗拱卯榫咬合叠垒而成,堪称世界古木建筑的典范。

【抗震知识】山西应县木塔抗震原理分析

木塔建成200多年即遭受大震,余震连续7天,木塔附近房屋全部倒塌,而木塔岿然不动。在此后的近千年中,木塔经历了多次大地震的考验而安然无恙。

【抗震知识】山西应县木塔抗震原理分析


木塔有如此杰出抗震能力的原因:

建筑和地震专家考证分析,千年木塔之所以有如此杰出的抗震能力,在于诸多抗震技法的综合运用:

1

木塔平面是规则的正八角形,利于抵抗地震波产生的扭曲力;

2

木塔高达4.4米的砖石基座坚实、稳定,形成一个“浮筏”,承载着全塔的重量;

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3

木塔内梁与柱的连接完全通过斗栱完成,各种构件则通过榫卯连接,全塔的主要构件不用一钉一铆,这种连接形式类似于半固结半活铰的状态,能承受较大的弯矩;

4

构架水平分层,在地震波中的垂直冲击波攻击下,可以通过“弹跳”的方式消解巨大的破坏能量;

5

构架的整体性有力地抵抗旋转波,所有的柱子都用顶部的梁枋连结成一个筒形的框架,保证了构架的稳定性;

6

柱子之间砌筑有厚实的墙体,牢牢地“抱”住各柱子,增加了构架的整体性,而且这些墙体能作为剪力墙发挥作用;

7

立柱侧脚、平面逐层缩小,有效地降低了塔的重心,并使整体结构重心向内倾斜,增强了塔的稳定性,这样既使塔身形成美丽的曲线,又能把水平的地震冲击力分解成垂直方向的压力;

8

周边有一圈柱廊,各圈柱廊被水平构件连接成一个刚中带柔的整体;

9

为了加固结构框架,在八边形木塔的四个斜向应面上,自上而下采用了剪刀撑做法。

整座木塔表现出结构、技术与艺术形象的高度和谐,表里如一。在近千年前我们的祖先就能建造出如此庄严美丽而坚固耐久的建筑,充分显示出当时的匠人对数学、力学、材料学、结构学的研究已经相当深入,而且对地震的破坏机理已有了相当的了解,抗震经验已积累到了很高的水平,既令人惊奇,也令人自豪。



应县木塔简介:

应县木塔全称是山西应县佛宫寺释迦塔,是我国现存最古老的木塔。 据考证,在近千年的岁月中,应县木塔曾遭受了多次强地震袭击,仅裂度在五度以上的地震就高达十几次之多!《应县志》记载:“元大德九年四月已酉,大同路地震,有声如雷,坏庐舍五千八百,压死者一千四百余人”;“元顺帝时,地大震七日,塔旁舍宇,尽皆倾颓,惟塔屹然不动。”近代,邢台、唐山、大同、阳高一带的几次大地震,均波及应县,木塔大幅度摆动,风铃全部震响,持续一分多钟。过后,这座直插云天的木塔总是安然无恙,仍巍然屹立。

除天灾外,应县木塔还屡受战祸侵扰。如今登上木塔,仍能看到木柱横梁上累累的弹孔。据马良先生编著的《应县木塔史话》记载,1926年,冯玉祥的军队向山西发展,遭盘踞于此的阎锡山的死命抗拒,冯阎大战在山西爆发。此次战争,木塔共中弹二百余发,大受创伤。1948年解放应县时,守城的国民党军队以木塔为制高点设立了机枪阵地,木塔被12发炮弹击中。奇怪的是,颗颗炮弹都穿塔而过,未在塔中爆炸。

应县木塔能经近千年的天攻雷击、人间战火而不毁,也就难怪民间百姓把应县木塔与正定菩萨、沧州狮子和赵州桥一起归为“华北四宝”了。

应县木塔全靠斗拱、柱梁镶嵌穿插吻合,不用钉不用铆。木塔每层檐下及暗层平座围栏之下,都是一组挨一组的斗拱,转角外更是三组斗拱组合在一起,犹如多朵盛开的硕大莲花。据专家统计,应县木塔共使用54种240组不同形式的斗拱,是我国古代建筑中使用斗拱最多的塔,堪称“斗拱博物馆”。

木塔重达7430.377吨,静止时,下层每根柱负荷120吨!应县木塔底层的回廊外檐由24根木柱支撑,可是柱下石础根本没有巢臼,木柱断面直接平立于石础之上。有好奇者,曾经用两手执一根细绳,把它从石础和木柱间横过。所以,民间就有24根木柱轮流间歇的传说。辽代工匠技艺之高超,令后人叹服。

从上世纪三十年起,国内外许多专家学者对木塔千年不倒之谜进行了潜心研究和探索。专家们发现,应县木塔的内部结构与现代建筑中的“圈梁”近似,具有很强的抗震性能。对木塔颇有研究的应县文管所原所长马良先生说,木塔之所以能抗这么大的地震,现代科学已找到答案,这是因为木塔明层夹暗层,形成了刚体结构和柔体结构的有机结合。每遇大地震,这种结构便会将巨大的冲击释放掉,足见其整体结构的科学合理。


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