潘 毅，謝 丹，袁 雙，王曉玥

(1.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031；2.抗震工程技術四川省重點實驗室(西南交通大學)，成都 610031)

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尼泊爾文化遺產(chǎn)建筑震害特征及加固對策
——以尼泊爾Ms 8.1級地震中3個杜巴廣場為例

潘 毅1,2，謝 丹1，袁 雙1，王曉玥1

(1.西南交通大學 土木工程學院，成都 610031；2.抗震工程技術四川省重點實驗室(西南交通大學)，成都 610031)

為研究尼泊爾地區(qū)加德滿都谷地文化遺產(chǎn)建筑的結構特點和抗震性能，在Ms8.1級地震后進行了大量震害調查.磚木結構和磚石結構是谷地內加德滿都、帕坦和巴德崗等3個杜巴廣場文化遺產(chǎn)建筑的主要結構形式，介紹了兩種結構的組成和特點，總結了磚墻破壞、木構件破壞、傾斜和倒塌等典型震害特征，并對其震害原因進行了分析，提出了文化遺產(chǎn)建筑震害等級劃分標準，根據(jù)該標準，對文化遺產(chǎn)建筑的震害進行了分類和統(tǒng)計，得到兩種結構震害等級所占的比例.結果表明，在52處磚木結構和16處磚石結構中，基本完好或輕微破壞的磚木結構比例僅為28.8%，而磚石結構僅為18.8%，其余為中等破壞、嚴重破壞或毀壞，磚木結構的抗震性能比磚石結構稍好.最后，結合文化遺產(chǎn)建筑的震害特征和保護原則，對其加固提出了幾點對策.關鍵詞: 尼泊爾地震；文化遺產(chǎn)建筑；震害特征；磚木結構；磚石結構；加固

2015年4月25日當?shù)貢r間11點56分，加德滿都西北方向約80 km處郭爾克(Gorkha)發(fā)生Ms 8.1級地震，隨后又發(fā)生多次余震.此次地震不僅造成尼泊爾、中國、印度和孟加拉等國家較大的財產(chǎn)損失和人員傷亡，也是世界文化遺產(chǎn)建筑的一場浩劫，加德滿都谷地內的七處世界文化遺產(chǎn)建筑群和遺址均遭到了較大破壞，包括3個杜巴廣場建筑群(Kathmandu、Patan、Bhaktapur)，兩個佛教建筑(Swayambunath、Boudha Stupa)和兩個印度教建筑(Pashupatinath、Changu Narayan).地震發(fā)生后，筆者三度受邀趕赴災區(qū)，與尼泊爾方面的人員一道對災區(qū)內世界文化遺產(chǎn)建筑進了全面調查.其中，重點調查了世界文化遺產(chǎn)建筑比較集中的3個杜巴廣場的震害情況.根據(jù)美國地質勘探局(United States Geological Survey，簡稱USGS)的地震數(shù)據(jù)[1]，加德滿都杜巴廣場(Kathmandu Durbar Square)和帕坦杜巴廣場(Patan Durbar Square)位于VIII度區(qū)，巴德崗杜巴廣場(Bhaktapur Durbar Square)位于VII度區(qū)，見圖1.

圖1 文化遺產(chǎn)建筑震害調查點及烈度分布

3個杜巴廣場的文化遺產(chǎn)建筑以磚木結構和磚石結構為主.二者都未采取抗震措施，其建造主要依賴當?shù)毓そ车膫€人經(jīng)驗、歷史傳承及宗教需要.因此，地震造成的損傷和毀壞也主要集中于這兩種結構形式.近年來，國內外學者對尼泊爾文化遺產(chǎn)建筑的研究，主要集中在建筑藝術、歷史文化等方面[2-4]，而對其結構抗震性能和安全的研究則比較少.文獻[5]總結了多檐式塔廟抗震性能的影響因素，建立有限元模型進行了線彈性計算，分析了結構構件的破壞或者失效對塔廟整體剛度的影響，并試圖確定影響塔廟地震易損性的關鍵構件.文獻[6]對尼泊爾3座多檐式塔廟做環(huán)境動力測試，獲得了塔廟的自振頻率、振型和阻尼比等動力參數(shù)，并建立有限元模型，采用反應譜法對典型的塔廟進行了動力分析.文獻[7]將1934年尼泊爾-比哈爾(Nepal-Bihar)Ms 8.4級地震中多檐式塔廟的破壞歸納為局部破壞和完全倒塌，總結了地震中塔廟的薄弱部位，并指出了塔廟維修和加固中存在的問題.需要注意的是，上述研究對象主要針對磚木結構的多檐式塔廟，沒有涉及磚石結構的建筑，且研究方法基本都是采用有限元建模進行計算，沒有對實際震害進行詳細調查和統(tǒng)計，也鮮有對震害特征做全面分析.

本文在對3個杜巴廣場內文化遺產(chǎn)建筑做了詳細震害調查的基礎上，分析了磚木結構和磚石結構的典型震害特征和破壞機理，定義了這兩種結構震害等級的劃分標準，并對其震害等級進行了統(tǒng)計，最后對尼泊爾文化遺產(chǎn)建筑提出了加固對策，以期為其抗震防災的研究與保護提供一些參考.

1 磚木結構的震害特征

1.1 結構特點

3個杜巴廣場中，喬克(Chowk)宮院和多檐式塔廟為磚木結構，其平面布局大致分為3類：封閉宮院式、一般式和內壁外廊柱式.其中，喬克(Chowk)宮院一般為2或3層，是典型的封閉宮院式結構.多檐式塔廟一般為2、3、4或5層，其平面布局包括一般式和內壁外廊柱式，一般式又包括單壁單門式、單壁三門式和雙壁四門式，見圖2.例如，納拉楊廟(Narayan Temple)建筑群多為單壁單門式和雙壁四門式，迦內莎德嘎廟(Ganesh Dega Temple)建筑群多為單壁三門式，濕婆廟(Shiva Temple)建筑群多為內壁外廊柱式[8].

圖2 塔廟底層的墻體結構形式

磚木結構由磚墻和木構架組成.磚墻是主要的抗側力和承重構件，但尼泊爾的磚墻有分層現(xiàn)象，即內側為土坯，外側為錐形燒磚，中間為碎磚塊和泥土[9]，三層之間的連接較弱，故磚墻的整體性較差.此外，磚木結構的內部結構形式為套筒式，層間束腰收分，墻體截面由下向上逐漸遞減，且頂層墻體一般直接落于下層木樓板上，與下層墻體斷開，導致豎向荷載傳遞路徑不連續(xù)，下層墻體偏心受壓，見圖3.

圖3 磚木結構的墻體特點

木構架中，梁柱節(jié)點的連接方式與中國藏式傳統(tǒng)建筑中木梁柱節(jié)點類似，其上端附有細木銷釘直接穿過木支架和木梁，承托上方磚墻重量，柱下端附有細木銷釘插入礎石中央[2]，見圖4.尼泊爾塔廟的一個顯著特點就是寬大的屋檐，見圖3.屋檐的重量主要由斜撐承擔.斜撐上端卡到檁條下方，下端擱置于檐口上方.平時斜撐僅受靜力作用，一旦遭遇強震，斜撐被破壞，屋檐就會發(fā)生墜落.

圖4 木柱連接方式

1.2 震害特征

1.2.1 磚墻破壞

磚墻的震害特征主要包括層狀剝離破壞和剪切破壞.例如，加德滿都杜巴廣場的莫漢喬克(Mohan Chowk)宮院共3層，屬封閉宮院式結構，其西側墻體外部發(fā)生剝離破壞，見圖5(a).由于受環(huán)境濕度變化的影響，外層墻體的錐形磚塊易發(fā)生膨脹，在無處不在的微小震動下，磚墻中部粘結層土壤顆粒落入裂縫，阻止外層墻體復位.豎向荷載下，強烈地震動數(shù)據(jù)的輸入加速了磚墻的剝離破壞，其破壞機理見圖5(b).

圖5 磚墻的層狀剝離破壞

磚墻剪切破壞常見的現(xiàn)象為墻體斜裂縫.例如，加德滿都杜巴廣場的濕婆帕拉瓦提(Shiva Parvati)神廟屬一般式結構，其門窗洞口處發(fā)生45°斜裂縫，見圖6(a).由于塔廟門窗的開洞面積一般較大，且洞口角部如同一個楔子，形成一個銳角，導致門窗角部容易形成應力集中，產(chǎn)生剪切斜裂縫，見圖6(a)中的裂縫1.同時，墻體受自重G和水平地震作用V，加上磚墻的抗拉強度較低，墻體易沿洞口角部形成階梯型斜裂縫，見圖6(a)中的裂縫2.剪切破壞的機理見圖6(b).

除了層狀剝離破壞和剪切破壞，磚墻還可能由于相互碰撞而產(chǎn)生破壞.例如，加德滿都杜巴廣場的拿梭喬克(Nasal Chowk)宮院共4層，屬封閉宮院式結構，其西南側轉角處的墻體破壞，見圖7.由于喬克宮院的院落式布局，轉角處相鄰的兩棟建筑之間的間隔較小，兩側墻體在地震時發(fā)生相互碰撞，導致墻體破壞.

1.2.2 木構件破壞

在磚木結構中，細木銷釘是木柱與梁及礎石之間的連接方式，在強烈地震中可能發(fā)生剪切破壞，見圖8.木柱的破壞原因是木柱上下端的細木銷釘橫截面積小且應力集中，不能抵抗過大的水平剪力，柱礎間的過量滑移和梁柱節(jié)點處的相對錯動使得木柱歪斜，喪失承擔上部荷載的能力.

圖6 磚墻剪切破壞

圖7 拿梭喬克宮院轉角處的墻體碰撞

圖8 木柱破壞

斜撐破壞見圖9(a)，斜撐上下端與相鄰構件的連接不固結，只約束了豎向位移和扭轉位移，未約束水平位移，且整個屋檐連接不牢固，各構件在強烈地震下的位移幅值較大，導致斜撐墜落或椽木滑脫，見圖9(b).

此外，木樓板中的內外托梁板通過銷釘固定，木梁直接插入磚墻中，擱置長度不足，且與樓板周邊錨固不夠，強烈地震作用下，木梁拔榫.

圖9 斜撐破壞

1.2.3 傾斜

此次尼泊爾地震后，部分磚木結構出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象.其中，磚木結構的喬克宮院多在縱向發(fā)生比較明顯的整體傾斜，見圖10.由于加德滿都谷地的地質由松軟的沉積物構成，部分建筑的地基沒有經(jīng)過處理與加固，磚木結構易受基礎不均勻沉降的影響，導致在強烈地震作用下結構發(fā)生傾斜.

圖10 磚木結構的傾斜

1.2.4 倒塌

帕坦杜巴廣場上的查爾納拉揚神廟(Char Narayan Temple)共3層，屬一般式結構，在此次地震中完全倒塌，見圖11.由于磚墻的分層，內墻與外墻之間、磚墻與木構架之間、木構架之間的連接較弱，且傳統(tǒng)建筑材料性能退化，磚木結構整體穩(wěn)定性較差.當結構薄弱截面的抗傾覆力矩小于地震作用產(chǎn)生的傾覆力矩時，結構發(fā)生整體或局部倒塌.此外，磚木結構屋檐面積寬大，屋檐上的厚重瓦片和覆土等增加了磚木結構的自重，地震作用也隨之增大，進一步加大了文化遺產(chǎn)建筑倒塌的概率.

圖11 查爾納拉揚神廟的倒塌

2 磚石結構的震害特征

2.1 結構特點

除了磚木結構，3個杜巴廣場中另外一種重要的結構形式為磚石結構.磚石結構主要是由磚塊或石塊砌筑成的錐形塔廟，并由周圍有幾處外觀相似，但規(guī)模較小的副塔環(huán)繞，如巴德崗杜巴廣場中磚砌結構的濕婆神廟(Shiva Temple)和石砌結構的瓦特薩拉杜迦神廟(Vatsala Durga Temple)，見圖12～13.

圖12 濕婆神廟

圖13 瓦特薩拉杜迦神廟

類似中國的磚石古塔，尼泊爾磚石結構的截面由下到上逐漸減小，在塔剎部分最小.但與中國磚石古塔不同的是，尼泊爾磚石結構的底層一般設有走廊，由磚(石)柱承托上部結構的重量.由于年代久遠，磚石材料性能的劣化較嚴重，且砌塊之間粘結較弱，結構的整體性較差.此外，尼泊爾磚石結構經(jīng)歷過多次維修，每次都將散落的材料收集起來，以便用于原位修復，這導致材料強度的離散性較大.

2.2 震害特征

2.2.1 墻體開裂

查辛德嘎神廟(Chyasin Dega Temple)屬內壁外廊柱式結構，在地震中發(fā)生了墻體開裂，見圖14.由于磚石結構自重和剛度比較大，且磚石砌塊之間的粘結材料抗拉強度較低，在強烈地震作用下，外墻易開裂.

圖14 查辛德嘎神廟的墻體開裂

2.2.2 傾斜

磚石結構多為高聳的塔，其結構的高寬比一般都較大，導致地震作用下的傾覆力矩較大.尼泊爾磚石結構一般沒有高臺基，部分結構的地基未處理，對基礎沉降敏感，加上年代久遠，材料的風化腐蝕嚴重，塔本身就有一定程度的偏心.在地震作用下，塔的偏心作用進一步加大，重力二階效應明顯，導致塔發(fā)生傾斜，見圖15.

圖15 磚石結構的傾斜

2.2.3 倒塌

巴德崗杜巴廣場的法希德噶神廟(Fasidega temple)在地震中倒塌，見圖16.磚石結構發(fā)生倒塌的原因主要有兩個：強烈的地震作用產(chǎn)生較大傾覆力矩；磚石砌塊為脆性材料，其延性較差，砌塊之間沒有有效的約束構件，磚石結構的穩(wěn)定性和整體性不夠好.當結構開裂后，裂縫擴展較快，當發(fā)展為通縫時，結構倒塌.

圖16 法希德噶神廟的倒塌

3 震害等級劃分與震害統(tǒng)計

3.1 震害等級劃分標準

由于中國和尼泊爾都沒有制定針對文化遺產(chǎn)建筑的震害等級劃分標準，一定程度上制約了震害調查的有效進行，影響了對震害統(tǒng)計結果的深入分析.根據(jù)各構件對結構整體抗震性能的重要性，并結合GB/T 24335—2009《建(構)筑物地震破壞等級劃分》和現(xiàn)場調查情況，本文提出了尼泊爾磚木結構和磚石結構的震害等級劃分標準.

基于筆者的前期研究基礎[10-13]，在磚木結構中，墻體和木樓板為結構構件，承擔主要的豎向荷載和水平荷載；其他木構架(如斜撐、門窗及屋檐等)為非結構構件，其破壞不會導致主體結構的嚴重破壞或倒塌.因此，在劃分磚木結構的震害等級時，以磚墻和木樓板的破壞為主，并適當考慮斜撐等其他木構架的破壞.在磚石結構中，磚石墻體是主要的抗側力和承重構件，故在劃分磚石結構的震害等級時，以磚石墻體和周圍副塔的破壞為主，并適當考慮走廊、塔剎等附屬構件的破壞.

需要注意的是，由于時代久遠，地震前文化遺產(chǎn)建筑本身存在一些裂縫或輕微破壞，故不嚴格區(qū)分基本完好或輕微破壞.因此，本文將文化遺產(chǎn)建筑的震害等級劃分為四類：基本完好或輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞和毀壞，具體劃分標準見表1.

根據(jù)上述評定標準，表2給出了不同震害等級的磚木結構和磚石結構的實例.

表1 文化遺產(chǎn)建筑震害等級的劃分標準

3.2 震害統(tǒng)計

3個杜巴廣場共計調查了68處文化遺產(chǎn)建筑，其中52處磚木結構和16處磚石結構.根據(jù)表1，將3個杜巴廣場的磚木結構和磚石結構的建筑震害進行了分類和統(tǒng)計.限于篇幅，僅以位于地震VIII度區(qū)的加德滿都杜巴廣場為例說明.該廣場共調查文化遺產(chǎn)建筑30處.其中，磚木結構27處，磚石結構3處，其震害等級分布見圖17，3個杜巴廣場文化遺產(chǎn)建筑的震害情況，見表3.

3個杜巴廣場上磚木結構和磚石結構不同震害等級的文化遺產(chǎn)建筑數(shù)量和相應的比例，見圖18，可以看出：

1)3個杜巴廣場的文化遺產(chǎn)建筑以磚木結構為主，因此磚木結構震害的數(shù)量也較磚石結構多.

2)基本完好或輕微破壞的磚木結構比例僅為28.8%，磚石結構則僅為18.8%，其余為中等破壞、嚴重破壞，甚至毀壞.這說明兩種結構的抗震性能都不足，在強烈地震作用下易發(fā)生破壞.從震害比例上看，磚木結構的抗震性能比磚石結構稍好.

表2 磚木結構和磚石結構震害等級分類的典型實例

Tab.2 Examples of brick-timber structures and masonry structures sustaining different seismic damage degrees

圖17 加德滿都杜巴廣場震害調查

調查地點震害等級磚木結構磚石結構總數(shù)數(shù)量比例/%總數(shù)數(shù)量比例/%加德滿都杜巴廣場基本完好或輕微破壞中等破壞嚴重破壞毀壞27414.8933.3829.6622.33133.30000266.7巴德崗杜巴廣場基本完好或輕微破壞中等破壞嚴重破壞毀壞10660.0330.0110.0008112.5112.5225.0450.0帕坦杜巴廣場基本完好或輕微破壞中等破壞嚴重破壞毀壞15533.3213.3320.0533.35120.0240.0240.000

圖18 磚木結構和磚石結構的震害情況

4 加固對策

《實施保護世界文化與自然遺產(chǎn)公約的操作指南》中II.D條和II.E條規(guī)定，世界文化遺產(chǎn)須具有原真性和完整性的特征.原真性和完整性包括外形、材料、用途、精神和其他內外因素等.基于上述規(guī)定，并結合當?shù)貙嶋H情況，本文對尼泊爾文化遺產(chǎn)建筑的加固提出幾點對策.

4.1 整體的加固

磚木結構和磚石結構在地震中都存在局部倒塌或整體倒塌，例如，帕坦杜巴廣場的孫達里喬克(Sundari Chowk)宮院，轉角處缺乏必要的抗震構造，東側墻體在此次地震中倒塌，見圖19.

圖19 孫達里喬克宮院的局部倒塌

因此，加強結構的整體性是提高建筑綜合抗震能力的重要途徑.例如，在結構中增設木柱和木梁[14-15].1934年尼泊爾-比哈爾地震后，五十五窗宮殿(The Palace of fifty-five Windows)的墻體采用木梁和木柱進行加固，見圖20(a).在此次地震中，該建筑基本完好，其墻體見圖20(b).這也驗證了該方法的有效性.

圖20 五十五窗宮殿的整體加固

4.2 基礎拉梁的加固

尼泊爾文化遺產(chǎn)建筑的基礎拉梁多采用木梁，因此其防潮防腐就比較重要.第一，設置通風口，盡量保持地下空間的干燥；第二，用瀝青紙包裹木梁，避免木梁與磚、石等的直接接觸，減少木梁的腐蝕；第三，基礎拉梁的連接節(jié)點可以采取中國的榫卯連接，如圖21(a)中的A節(jié)點采用燕尾榫，B節(jié)點處使用十字枋.圖21(b)為Kathmandu Valley Preservation Trust (以下簡稱KVPT)尼泊爾項目主管Ranjitkar R K提供的帕坦杜巴廣場內的納拉楊廟基礎拉梁的加固情況.

圖21 基礎拉梁的加固

4.3 墻體的加固

磚(石)墻體是磚木結構和磚石結構的主要承重系統(tǒng).大部分結構的震害特征都有層狀剝離，故需加強磚墻自身的整體性.在不改變內外層磚塊的前提下，選取合適距離，在磚塊縫隙處打孔，向墻內注入適量水泥砂漿，增強砌塊之間的粘結，減少層狀剝離破壞，見圖22.

4.4 木樓板的加固

傳統(tǒng)塔廟的樓板僅設單方向木梁，且木梁端部與周邊墻體連接不牢固[16].在地震作用下，木梁可能發(fā)生拔榫，導致樓蓋塌落.因此，有必要加強木樓板與周邊墻體的連接.加固時，可將木梁端部的直榫連接改為燕尾榫，并在另一方向鋪設木梁，加強樓蓋的整體性和剛度，或者將木梁用長錨桿與墻體進行拉結，見圖23.

圖23 木樓板的加固

4.5 屋檐的加固

尼泊爾磚木結構的屋檐由椽木、鋪板、泥床和瓦片組成，見圖9(b).泥床厚一般為1～2 ft，不僅導致屋檐的自重較大，且泥床長年遭受雨水侵蝕，屋檐上植被生長，見圖24(a).

圖24 屋檐的加固

植被不僅進一步增加了屋檐的自重，而且對木構件有腐蝕作用，這對文化遺產(chǎn)建筑的保護非常不利.因此，減輕屋檐重量，避免植被生長，就比較重要.建議在震后修復中，減少泥床厚度或將厚重瓦片改為鍍銅的金屬屋檐，見圖24(b)，并加強日常的維護.

5 結 論

1)尼泊爾文化遺產(chǎn)建筑的震害特征主要為墻體的層狀剝離和剪切破壞、木柱和斜撐的破壞、傾斜和倒塌，根據(jù)各構件對結構整體抗震性能的重要性，本文提出了尼泊爾磚木結構和磚石結構文化遺產(chǎn)建筑的震害等級劃分標準，并據(jù)此標準對震害進行了分類和統(tǒng)計.

2)調查和統(tǒng)計結果表明，尼泊爾文化遺產(chǎn)建筑以磚木結構為主，因此磚木結構建筑受到地震破壞的數(shù)量也較多，但震害程度總體上輕于磚石結構.針對其震害，本文提出整體、基礎拉梁、墻體、木樓板和屋檐等加固對策.但為了更好的應對下一次強震，有必要通過深入研究，探索一些既符合現(xiàn)代抗震要求，又符合文化遺產(chǎn)保護原則的新加固方法.

致謝：感謝特里布汶大學工學院(Tribhuvan University)Sudarshan Raj Tiwari教授、陸地交通地震災害防治技術國家工程實驗室和西南交通大學建筑與設計學院對本研究項目的支持和幫助.

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(編輯 趙麗瑩)

Seismic damages of Nepalese cultural heritage buildings and strengthening measures:Case studies on three Durbar Squares in Ms 8.1 Gorkha earthquake

PAN Yi1,2, XIE Dan1, YUAN Shuang1, WANG Xiaoyue1

(1.School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Key Laboratory of Seismic Engineering of Sichuan Province (Southwest Jiaotong University), Chengdu 610031, China)

To study the structural characteristics and seismic performance of cultural heritage buildings in Kathmandu Valley, an extensive investigation was carried out after Ms8.1 Gorkha earthquake. Brick-timber structures and masonry structures are the two major structural types in Kathmandu, Patan and Bhaktapur Durbar Squares. The structural compositions and characteristics of brick-timber structures and masonry structures were described, and analysis was done for the typical seismic damage such as wall destruction, wooden components destruction, tilt and collapse, and, reasons were studied. The seismic damage degree of cultural heritage buildings was defined, the classification and statistics of damage to the cultural heritage buildings were carried out, and different proportions of damage levels of the two structure types were obtained. The results show that in the total 52 brick-timber structures and 16 masonry structures, the proportion of basically intact or slightly damaged of brick-timber structures is merely 28.8%, and yet the masonry structure is 18.8%, others belong to partially damaged, heavily damaged and collapse, and the seismic performance of brick-timber structures are better than masonry structures. Based on the results of the seismic damage investigations, and compared with the protective principle of cultural heritage buildings, some recommendations on the reinforcement measures of cultural heritage buildings were put forward.

Gorkha earthquake; cultural heritage buildings; characteristics of seismic damage; brick-timber structure; masonry structure; strengthening

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.12.025

2016-08-31

中國工程院咨詢研究項目(2010-ZD-4)

潘 毅(1977—)，男，副教授，博士生導師

潘 毅，panyi@home.swjtu.edu.cn

TU352.11

A

0367-6234(2016)12-0172-11