2016, Vol. 48
2. 抗震工程技术四川省重点实验室(西南交通大学)，成都 610031
2. Key Laboratory of Seismic Engineering of Sichuan Province (Southwest Jiaotong University), Chengdu 610031, China
2015年4月25日当地时间11点56分，加德满都西北方向约80 km处郭尔克(Gorkha)发生Ms 8.1级地震，随后又发生多次余震.此次地震不仅造成尼泊尔、中国、印度和孟加拉等国家较大的财产损失和人员伤亡，也是世界文化遗产建筑的一场浩劫，加德满都谷地内的七处世界文化遗产建筑群和遗址均遭到了较大破坏，包括3个杜巴广场建筑群(Kathmandu、Patan、Bhaktapur)，两个佛教建筑(Swayambunath、Boudha Stupa)和两个印度教建筑(Pashupatinath、Changu Narayan).地震发生后，笔者三度受邀赶赴灾区，与尼泊尔方面的人员一道对灾区内世界文化遗产建筑进了全面调查.其中，重点调查了世界文化遗产建筑比较集中的3个杜巴广场的震害情况.根据美国地质勘探局(United States Geological Survey，简称USGS)的地震数据[1]，加德满都杜巴广场(Kathmandu Durbar Square)和帕坦杜巴广场(Patan Durbar Square)位于VIII度区，巴德岗杜巴广场(Bhaktapur Durbar Square)位于Ⅶ度区，见图 1.
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图 1 文化遗产建筑震害调查点及烈度分布 Figure 1 Investigation sites and intensity of cultural heritage buildings |
3个杜巴广场的文化遗产建筑以砖木结构和砖石结构为主.二者都未采取抗震措施，其建造主要依赖当地工匠的个人经验、历史传承及宗教需要.因此，地震造成的损伤和毁坏也主要集中于这两种结构形式.近年来，国内外学者对尼泊尔文化遗产建筑的研究，主要集中在建筑艺术、历史文化等方面[2-4]，而对其结构抗震性能和安全的研究则比较少.文献[5]总结了多檐式塔庙抗震性能的影响因素，建立有限元模型进行了线弹性计算，分析了结构构件的破坏或者失效对塔庙整体刚度的影响，并试图确定影响塔庙地震易损性的关键构件.文献[6]对尼泊尔3座多檐式塔庙做环境动力测试，获得了塔庙的自振频率、振型和阻尼比等动力参数，并建立有限元模型，采用反应谱法对典型的塔庙进行了动力分析.文献[7]将1934年尼泊尔-比哈尔(Nepal-Bihar) Ms 8.4级地震中多檐式塔庙的破坏归纳为局部破坏和完全倒塌，总结了地震中塔庙的薄弱部位，并指出了塔庙维修和加固中存在的问题.需要注意的是，上述研究对象主要针对砖木结构的多檐式塔庙，没有涉及砖石结构的建筑，且研究方法基本都是采用有限元建模进行计算，没有对实际震害进行详细调查和统计，也鲜有对震害特征做全面分析.
本文在对3个杜巴广场内文化遗产建筑做了详细震害调查的基础上，分析了砖木结构和砖石结构的典型震害特征和破坏机理，定义了这两种结构震害等级的划分标准，并对其震害等级进行了统计，最后对尼泊尔文化遗产建筑提出了加固对策，以期为其抗震防灾的研究与保护提供一些参考.
1 砖木结构的震害特征 1.1 结构特点3个杜巴广场中，乔克(Chowk)宫院和多檐式塔庙为砖木结构，其平面布局大致分为3类：封闭宫院式、一般式和内壁外廊柱式.其中，乔克(Chowk)宫院一般为2或3层，是典型的封闭宫院式结构.多檐式塔庙一般为2、3、4或5层，其平面布局包括一般式和内壁外廊柱式，一般式又包括单壁单门式、单壁三门式和双壁四门式，见图 2.例如，纳拉杨庙(Narayan Temple)建筑群多为单壁单门式和双壁四门式，迦内莎德嘎庙(Ganesh Dega Temple)建筑群多为单壁三门式，湿婆庙(Shiva Temple)建筑群多为内壁外廊柱式[8].
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图 2 塔庙底层的墙体结构形式 Figure 2 Wall system in ground floor of temples |
砖木结构由砖墙和木构架组成.砖墙是主要的抗侧力和承重构件，但尼泊尔的砖墙有分层现象，即内侧为土坯，外侧为锥形烧砖，中间为碎砖块和泥土[9]，三层之间的连接较弱，故砖墙的整体性较差.此外，砖木结构的内部结构形式为套筒式，层间束腰收分，墙体截面由下向上逐渐递减，且顶层墙体一般直接落于下层木楼板上，与下层墙体断开，导致竖向荷载传递路径不连续，下层墙体偏心受压，见图 3.
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图 3 砖木结构的墙体特点 Figure 3 Characteristic of brick-timber structure wall |
木构架中，梁柱节点的连接方式与中国藏式传统建筑中木梁柱节点类似，其上端附有细木销钉直接穿过木支架和木梁，承托上方砖墙重量，柱下端附有细木销钉插入础石中央[2]，见图 4.尼泊尔塔庙的一个显著特点就是宽大的屋檐，见图 3.屋檐的重量主要由斜撑承担.斜撑上端卡到檩条下方，下端搁置于檐口上方.平时斜撑仅受静力作用，一旦遭遇强震，斜撑被破坏，屋檐就会发生坠落.
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图 4 木柱连接方式 Figure 4 Connection type of timber columns |
砖墙的震害特征主要包括层状剥离破坏和剪切破坏.例如，加德满都杜巴广场的莫汉乔克(Mohan Chowk)宫院共3层，属封闭宫院式结构，其西侧墙体外部发生剥离破坏，见图 5(a).由于受环境湿度变化的影响，外层墙体的锥形砖块易发生膨胀，在无处不在的微小震动下，砖墙中部粘结层土壤颗粒落入裂缝，阻止外层墙体复位.竖向荷载下，强烈地震动数据的输入加速了砖墙的剥离破坏，其破坏机理见图 5(b).
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图 5 砖墙的层状剥离破坏 Figure 5 Delamination of brick walls |
砖墙剪切破坏常见的现象为墙体斜裂缝.例如，加德满都杜巴广场的湿婆帕拉瓦提(Shiva Parvati)神庙属一般式结构，其门窗洞口处发生45°斜裂缝，见图 6(a).由于塔庙门窗的开洞面积一般较大，且洞口角部如同一个楔子，形成一个锐角，导致门窗角部容易形成应力集中，产生剪切斜裂缝，见图 6(a)中的裂缝1.同时，墙体受自重G和水平地震作用V，加上砖墙的抗拉强度较低，墙体易沿洞口角部形成阶梯型斜裂缝，见图 6(a)中的裂缝2.剪切破坏的机理见图 6(b).
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图 6 砖墙剪切破坏 Figure 6 Shear failure of brick walls |
除了层状剥离破坏和剪切破坏，砖墙还可能由于相互碰撞而产生破坏.例如，加德满都杜巴广场的拿梭乔克(Nasal Chowk)宫院共4层，属封闭宫院式结构，其西南侧转角处的墙体破坏，见图 7.由于乔克宫院的院落式布局，转角处相邻的两栋建筑之间的间隔较小，两侧墙体在地震时发生相互碰撞，导致墙体破坏.
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图 7 拿梭乔克宫院转角处的墙体碰撞 Figure 7 The corner crack of Nasal Chowk |
在砖木结构中，细木销钉是木柱与梁及础石之间的连接方式，在强烈地震中可能发生剪切破坏，见图 8.木柱的破坏原因是木柱上下端的细木销钉横截面积小且应力集中，不能抵抗过大的水平剪力，柱础间的过量滑移和梁柱节点处的相对错动使得木柱歪斜，丧失承担上部荷载的能力.
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图 8 木柱破坏 Figure 8 Destruction of timber column |
斜撑破坏见图 9(a)，斜撑上下端与相邻构件的连接不固结，只约束了竖向位移和扭转位移，未约束水平位移，且整个屋檐连接不牢固，各构件在强烈地震下的位移幅值较大，导致斜撑坠落或椽木滑脱，见图 9(b).
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图 9 斜撑破坏 Figure 9 Destruction of struts |
此外，木楼板中的内外托梁板通过销钉固定，木梁直接插入砖墙中，搁置长度不足，且与楼板周边锚固不够，强烈地震作用下，木梁拔榫.
1.2.3 倾斜此次尼泊尔地震后，部分砖木结构出现倾斜现象.其中，砖木结构的乔克宫院多在纵向发生比较明显的整体倾斜，见图 10.由于加德满都谷地的地质由松软的沉积物构成，部分建筑的地基没有经过处理与加固，砖木结构易受基础不均匀沉降的影响，导致在强烈地震作用下结构发生倾斜.
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图 10 砖木结构的倾斜 Figure 10 Tilt of brick-timber structures |
帕坦杜巴广场上的查尔纳拉扬神庙(Char Narayan Temple)共3层，属一般式结构，在此次地震中完全倒塌，见图 11.由于砖墙的分层，内墙与外墙之间、砖墙与木构架之间、木构架之间的连接较弱，且传统建筑材料性能退化，砖木结构整体稳定性较差.当结构薄弱截面的抗倾覆力矩小于地震作用产生的倾覆力矩时，结构发生整体或局部倒塌.此外，砖木结构屋檐面积宽大，屋檐上的厚重瓦片和覆土等增加了砖木结构的自重，地震作用也随之增大，进一步加大了文化遗产建筑倒塌的概率.
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图 11 查尔纳拉扬神庙的倒塌 Figure 11 Collapse of Char Narayan Temple |
除了砖木结构，3个杜巴广场中另外一种重要的结构形式为砖石结构.砖石结构主要是由砖块或石块砌筑成的锥形塔庙，并由周围有几处外观相似，但规模较小的副塔环绕，如巴德岗杜巴广场中砖砌结构的湿婆神庙(Shiva Temple)和石砌结构的瓦特萨拉杜迦神庙(Vatsala Durga Temple)，见图 12~13.
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图 12 湿婆神庙 Figure 12 Shiva Temple |
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图 13 瓦特萨拉杜迦神庙 Figure 13 Vatsala Durga Temple |
类似中国的砖石古塔，尼泊尔砖石结构的截面由下到上逐渐减小，在塔刹部分最小.但与中国砖石古塔不同的是，尼泊尔砖石结构的底层一般设有走廊，由砖(石)柱承托上部结构的重量.由于年代久远，砖石材料性能的劣化较严重，且砌块之间粘结较弱，结构的整体性较差.此外，尼泊尔砖石结构经历过多次维修，每次都将散落的材料收集起来，以便用于原位修复，这导致材料强度的离散性较大.
2.2 震害特征 2.2.1 墙体开裂查辛德嘎神庙(Chyasin Dega Temple)属内壁外廊柱式结构，在地震中发生了墙体开裂，见图 14.由于砖石结构自重和刚度比较大，且砖石砌块之间的粘结材料抗拉强度较低，在强烈地震作用下，外墙易开裂.
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图 14 查辛德嘎神庙的墙体开裂 Figure 14 Wall cracking of Chyasin Dega Temple |
砖石结构多为高耸的塔，其结构的高宽比一般都较大，导致地震作用下的倾覆力矩较大.尼泊尔砖石结构一般没有高台基，部分结构的地基未处理，对基础沉降敏感，加上年代久远，材料的风化腐蚀严重，塔本身就有一定程度的偏心.在地震作用下，塔的偏心作用进一步加大，重力二阶效应明显，导致塔发生倾斜，见图 15.
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图 15 砖石结构的倾斜 Figure 15 Tilt of masonry structures |
巴德岗杜巴广场的法希德噶神庙(Fasidega temple)在地震中倒塌，见图 16.砖石结构发生倒塌的原因主要有两个：强烈的地震作用产生较大倾覆力矩；砖石砌块为脆性材料，其延性较差，砌块之间没有有效的约束构件，砖石结构的稳定性和整体性不够好.当结构开裂后，裂缝扩展较快，当发展为通缝时，结构倒塌.
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图 16 法希德噶神庙的倒塌 Figure 16 Collapse of Fasidega Temple |
由于中国和尼泊尔都没有制定针对文化遗产建筑的震害等级划分标准，一定程度上制约了震害调查的有效进行，影响了对震害统计结果的深入分析.根据各构件对结构整体抗震性能的重要性，并结合GB/T 24335-2009《建(构)筑物地震破坏等级划分》和现场调查情况，本文提出了尼泊尔砖木结构和砖石结构的震害等级划分标准.
基于笔者的前期研究基础[10-13]，在砖木结构中，墙体和木楼板为结构构件，承担主要的竖向荷载和水平荷载；其他木构架(如斜撑、门窗及屋檐等)为非结构构件，其破坏不会导致主体结构的严重破坏或倒塌.因此，在划分砖木结构的震害等级时，以砖墙和木楼板的破坏为主，并适当考虑斜撑等其他木构架的破坏.在砖石结构中，砖石墙体是主要的抗侧力和承重构件，故在划分砖石结构的震害等级时，以砖石墙体和周围副塔的破坏为主，并适当考虑走廊、塔刹等附属构件的破坏.
需要注意的是，由于时代久远，地震前文化遗产建筑本身存在一些裂缝或轻微破坏，故不严格区分基本完好或轻微破坏.因此，本文将文化遗产建筑的震害等级划分为四类：基本完好或轻微破坏、中等破坏、严重破坏和毁坏，具体划分标准见表 1.
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表 1 文化遗产建筑震害等级的划分标准 Table 1 Classification of earthquake damage degree for cultural heritage buildings |
根据上述评定标准，表 2给出了不同震害等级的砖木结构和砖石结构的实例.
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表 2 砖木结构和砖石结构震害等级分类的典型实例 Table 2 Examples of brick-timber structures and masonry structures sustaining different seismic damage degrees |
3个杜巴广场共计调查了68处文化遗产建筑，其中52处砖木结构和16处砖石结构.根据表 1，将3个杜巴广场的砖木结构和砖石结构的建筑震害进行了分类和统计.限于篇幅，仅以位于地震VIII度区的加德满都杜巴广场为例说明.该广场共调查文化遗产建筑30处.其中，砖木结构27处，砖石结构3处，其震害等级分布见图 17，3个杜巴广场文化遗产建筑的震害情况，见表 3.
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图 17 加德满都杜巴广场震害调查 Figure 17 Seismic damage investigation of Kathmandu Durbar Square |
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表 3 3个杜巴广场的震害等级统计 Table 3 Statistics of seismic damage degrees of three Durbar Squares |
3个杜巴广场上砖木结构和砖石结构不同震害等级的文化遗产建筑数量和相应的比例，见图 18，可以看出：
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图 18 砖木结构和砖石结构的震害情况 Figure 18 Seismic damage of brick-timber structures and masonry structures |
1) 3个杜巴广场的文化遗产建筑以砖木结构为主，因此砖木结构震害的数量也较砖石结构多.
2) 基本完好或轻微破坏的砖木结构比例仅为28.8%，砖石结构则仅为18.8%，其余为中等破坏、严重破坏，甚至毁坏.这说明两种结构的抗震性能都不足，在强烈地震作用下易发生破坏.从震害比例上看，砖木结构的抗震性能比砖石结构稍好.
4 加固对策《实施保护世界文化与自然遗产公约的操作指南》中II.D条和II.E条规定，世界文化遗产须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、精神和其他内外因素等.基于上述规定，并结合当地实际情况，本文对尼泊尔文化遗产建筑的加固提出几点对策.
4.1 整体的加固砖木结构和砖石结构在地震中都存在局部倒塌或整体倒塌，例如，帕坦杜巴广场的孙达里乔克(Sundari Chowk)宫院，转角处缺乏必要的抗震构造，东侧墙体在此次地震中倒塌，见图 19.
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图 19 孙达里乔克宫院的局部倒塌 Figure 19 Partial collapse of Sundari Chowk |
因此，加强结构的整体性是提高建筑综合抗震能力的重要途径.例如，在结构中增设木柱和木梁[14-15].1934年尼泊尔-比哈尔地震后，五十五窗宫殿(The Palace of fifty-five Windows)的墙体采用木梁和木柱进行加固，见图 20(a).在此次地震中，该建筑基本完好，其墙体见图 20(b).这也验证了该方法的有效性.
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图 20 五十五窗宫殿的整体加固 Figure 20 Overall strengthening of the 55 Windows Palace |
尼泊尔文化遗产建筑的基础拉梁多采用木梁，因此其防潮防腐就比较重要.第一，设置通风口，尽量保持地下空间的干燥；第二，用沥青纸包裹木梁，避免木梁与砖、石等的直接接触，减少木梁的腐蚀；第三，基础拉梁的连接节点可以采取中国的榫卯连接，如图 21(a)中的A节点采用燕尾榫，B节点处使用十字枋.图 21(b)为Kathmandu Valley Preservation Trust (以下简称KVPT)尼泊尔项目主管Ranjitkar R K提供的帕坦杜巴广场内的纳拉杨庙基础拉梁的加固情况.
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图 21 基础拉梁的加固 Figure 21 Strengthening of ground beams |
砖(石)墙体是砖木结构和砖石结构的主要承重系统.大部分结构的震害特征都有层状剥离，故需加强砖墙自身的整体性.在不改变内外层砖块的前提下，选取合适距离，在砖块缝隙处打孔，向墙内注入适量水泥砂浆，增强砌块之间的粘结，减少层状剥离破坏，见图 22.
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图 22 纳拉杨庙墙体采用了水泥砂浆(KVPT Ranjitkar R K摄) Figure 22 Adobe bricks with lime mortar of Narayan Temple |
传统塔庙的楼板仅设单方向木梁，且木梁端部与周边墙体连接不牢固[16].在地震作用下，木梁可能发生拔榫，导致楼盖塌落.因此，有必要加强木楼板与周边墙体的连接.加固时，可将木梁端部的直榫连接改为燕尾榫，并在另一方向铺设木梁，加强楼盖的整体性和刚度，或者将木梁用长锚杆与墙体进行拉结，见图 23.
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图 23 木楼板的加固 Figure 23 Strengthening of wood floors |
尼泊尔砖木结构的屋檐由椽木、铺板、泥床和瓦片组成，见图 9(b).泥床厚一般为1~2 ft，不仅导致屋檐的自重较大，且泥床长年遭受雨水侵蚀，屋檐上植被生长，见图 24(a).
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图 24 屋檐的加固 Figure 24 Strengthening of roofs |
植被不仅进一步增加了屋檐的自重，而且对木构件有腐蚀作用，这对文化遗产建筑的保护非常不利.因此，减轻屋檐重量，避免植被生长，就比较重要.建议在震后修复中，减少泥床厚度或将厚重瓦片改为镀铜的金属屋檐，见图 24(b)，并加强日常的维护.
5 结论1) 尼泊尔文化遗产建筑的震害特征主要为墙体的层状剥离和剪切破坏、木柱和斜撑的破坏、倾斜和倒塌，根据各构件对结构整体抗震性能的重要性，本文提出了尼泊尔砖木结构和砖石结构文化遗产建筑的震害等级划分标准，并据此标准对震害进行了分类和统计.
2) 调查和统计结果表明，尼泊尔文化遗产建筑以砖木结构为主，因此砖木结构建筑受到地震破坏的数量也较多，但震害程度总体上轻于砖石结构.针对其震害，本文提出整体、基础拉梁、墙体、木楼板和屋檐等加固对策.但为了更好的应对下一次强震，有必要通过深入研究，探索一些既符合现代抗震要求，又符合文化遗产保护原则的新加固方法.
致谢: 感谢特里布汶大学工学院(Tribhuvan University) Sudarshan Raj Tiwari教授、陆地交通地震灾害防治技术国家工程实验室和西南交通大学建筑与设计学院对本研究项目的支持和帮助.| [1] | USGS. M7.8-36km E of Khudi, Nepal[EB/OL]. [2015-11-27]http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us20002926#general_map. |
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