建筑遺產(chǎn)研究

內(nèi)容導(dǎo)讀：應(yīng)縣本塔是在牛頓力學(xué)面世前631年就建成以木枋疊摞輕巧構(gòu)架，形成人們可以登臨其中敞亮享用的、完全符合結(jié)構(gòu)靜力學(xué)原理的高層塔樓結(jié)構(gòu)。屹立至今已近千年，這在全球是唯一的，它展示出人類創(chuàng)造力的輝煌。本文基于結(jié)構(gòu)力學(xué)基本原理，以對(duì)各類結(jié)構(gòu)力性力理深切認(rèn)知功底，通過反復(fù)思辯推理、系列立意設(shè)定，分析判斷，最終從垛梁段柱摞成的八格巨筒中解算出塔架主結(jié)構(gòu)梁柱在最不利負(fù)載條件下最大的內(nèi)力、應(yīng)力，裂縫深度、安全度，安全余度等相關(guān)數(shù)據(jù)。

文/李豪邦 張鵬程

1 概況

應(yīng)縣木塔如圖1示，建成于公元1056年，為一概無螺栓鐵箍、全由枋材疊摞，卻存在70條上下全切斷塔身的接縫。塔高54m（到主體頂）~67m（到塔剎頂），平面八角形由外邊圈24根柱及內(nèi)圈8根柱支持。平面的概略尺寸尺為：二層五層邊圈（內(nèi)圈）對(duì)角柱中心距分別為24.21（14.3）米。但在其邊柱圈與內(nèi)柱圈之間分上下兩部，底部柱高2.8m（其內(nèi)棚頂高3.6m）與中廳連通每層面積約500m2，該部外周無墻皆作隔扇門窗，故而通透敞亮、登上頂層高空觀覽令人神往。分層的上部為結(jié)構(gòu)梁架的暗空間，其內(nèi)并設(shè)了樓梯及過道。這里看得出此五米見方截面巨環(huán)空間的利用是十分巧妙得當(dāng)。既襯托出中廳的高大森嚴(yán)，也使其外周信眾社交活動(dòng)間多了些溫馨舒坦。通過這些結(jié)構(gòu)布設(shè)說明我先祖匠師在設(shè)計(jì)高樓布設(shè)中是熟悉結(jié)構(gòu)常理及其奧秘。

圖 1 應(yīng)縣木塔結(jié)構(gòu)測(cè)繪圖

應(yīng)縣木塔進(jìn)入當(dāng)今學(xué)術(shù)研討領(lǐng)域已逾90年，此中前40年是僅涉及建筑造型及內(nèi)中設(shè)施布局，對(duì)結(jié)構(gòu)受力的深入由于存在與當(dāng)今結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)慣理規(guī)則嚴(yán)重對(duì)立就出現(xiàn)了二難題：一是作為50多米的高樓其底層僅立32根頂?shù)灼浇拥闹?。周邊無硬墻，內(nèi)無可抗側(cè)力的構(gòu)件，這從當(dāng)今規(guī)則看這是機(jī)構(gòu)而非結(jié)構(gòu)，卻抗了千年大風(fēng)及多次地震，這該如何解釋?其二是54m高的樓，其柱有長段2.8m，短段1.8m，段間設(shè)梁垛2.4m及、1.8m，層層依序摞接而成，實(shí)際的柱總長僅及樓高之半，這真類似兒童積木，可祖匠師就是有認(rèn)知力理的信心建造成功，這力理究竟是哪些，這就使結(jié)構(gòu)人士多是不敢輕易接觸。再者也由于進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)工作須備足條件，如荷載量值，用料尺寸及其強(qiáng)度數(shù)據(jù)及各部構(gòu)造的細(xì)節(jié)關(guān)系，這些工作以個(gè)人能力是難以進(jìn)行。應(yīng)感謝陳明達(dá)、梁思成先生的前期工作，更感謝我國政府于1973年月29日下達(dá)指令后并撥款才得以全面展開。正是在此境況下通過交流查索互動(dòng)聯(lián)想大家認(rèn)識(shí)到：千年前全球各地人們?cè)谧非蠼ㄔ旄叱讨惺菓?yīng)塔首先以逐件疊摞構(gòu)架取代層層砌筑石條磚塊建實(shí)體單實(shí)體塔是形成了人類推進(jìn)建筑技術(shù)的一新里程碑。

此里程碑應(yīng)塔必然生成在中華大地上，這是我國情和人文理念形成的。我國尊崇“己所不欲勿施予人”就沒有奴隸。沒有主體宗教就沒有宗教戰(zhàn)爭與戰(zhàn)俘。建造木質(zhì)樓舍須有多類工具及成套知識(shí)技術(shù)；這就催生出專業(yè)經(jīng)營建造的作坊，作坊內(nèi)的技藝工其代代傳承并研究改進(jìn)發(fā)展，師徒中的精巧靈慧者通過在工作場(chǎng)地作簡單比試，及在大風(fēng)中親手持件擺弄體會(huì)，甚至雙手持木棍擬梁柱背后遭推，于其中領(lǐng)悟到木架結(jié)構(gòu)在上部壓重下傳，及橫來大風(fēng)作用下、梁柱各件內(nèi)生成拉、壓、彎、剪、力偶、作用與平衡的感知、認(rèn)知、熟知。對(duì)這些感知認(rèn)知在作坊內(nèi)形成口訣條規(guī)及至秘訣代代承傳。正是他們中的佼佼者對(duì)高塔樓受風(fēng)時(shí)，風(fēng)剪力下傳中生成“迎拉背壓”轉(zhuǎn)換機(jī)制具備了深切的力性力理認(rèn)知，更加吸取匯集既往建塔樓的成敗經(jīng)驗(yàn)，他們才能完成應(yīng)塔屹立至今，是完全符合力學(xué)長壽機(jī)理——“微歪抗風(fēng)、底擺隔震”的偉績。

與此并論，在西歐諸國由于連綿不斷的宗教戰(zhàn)爭，就有了奴隸與戰(zhàn)俘的勞動(dòng)力，更怕建造木構(gòu)樓舍會(huì)遭宗教對(duì)方一把火前功盡棄，故而興建大型建筑是多用石構(gòu)。他們?cè)谧分鸨荣惤ㄔ旄叨壬?，一律是用石材的?shí)體、半實(shí)體塔結(jié)構(gòu)，此類建筑經(jīng)藝術(shù)設(shè)計(jì)繪圖后無需用工程師作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，只要有斧鑿工具及奴隸勞動(dòng)力即可行事。其中的力學(xué)要求僅是墊實(shí)與搭接，即使進(jìn)入拱與穹只要厚大擠實(shí)即可。概無木質(zhì)架構(gòu)力理中須力偶平衡的繁縟奧秘。如意大利的比薩塔全高53.2m，下部墻厚3.2m。上部厚2.4m，除子有外表的裝飾可供人賞識(shí)，其內(nèi)卻無可供人享用的空間。西方國家由于上述情況未能早期涉入建造高層架構(gòu)樓的力學(xué)工作，故其高樓只能是在半頓力學(xué)面世后演進(jìn)為可適用的結(jié)物靜力學(xué)后，才相繼于1883年在芝加哥建成11層的保險(xiǎn)公司鐵架樓，于1903年在法國建成鋼筋砼的Franklin公寓樓。此二架構(gòu)樓的出現(xiàn)是比牛頓力學(xué)面世分別晚了196年及216年，而應(yīng)塔是比牛頓大學(xué)提前了631年。于此，我們可看出應(yīng)塔應(yīng)有的科技文化歷史價(jià)值：今仍巍然屹立的應(yīng)塔是全球早出了800年的首幢高層架構(gòu)樓。

2 力學(xué)計(jì)算

個(gè)人參予應(yīng)塔力學(xué)計(jì)算是從2008年初徹底退休下來出于興趣愛好起始的。自認(rèn)自己借助參加大設(shè)計(jì)院工作55年來，精心手算過多類工業(yè)廠房，各類構(gòu)筑物，研究過預(yù)制大樓結(jié)構(gòu)及砌塊結(jié)構(gòu)、巖士工程，這使自己具備了豐厚的多類結(jié)構(gòu)力性力理認(rèn)知功底，遇難題敢于創(chuàng)新思路攻堅(jiān)下去。再者我認(rèn)為應(yīng)塔既然已屹立千年，則其結(jié)構(gòu)作法必然是符合靜力結(jié)構(gòu)學(xué)的基本原理，此原理是千百年來不論國內(nèi)國外，皆相同，永不變。這樣只要依據(jù)此基本原理，擺脫當(dāng)今只適應(yīng)砼及鋼結(jié)構(gòu)的簡化理（如果柱聯(lián)接只有剛接與鉸居中軸的鉸接，柱須由底到頂通設(shè)）的桎梏，在創(chuàng)新思路之下應(yīng)是能破解前述的二難題。此頂工作的關(guān)鍵是不斷推進(jìn)思辨推理分析計(jì)算，甚至受阻時(shí)另辟新徑；如對(duì)塔底明層無抗側(cè)力難題，只要推翻“鉸居中”規(guī)定，另創(chuàng)鉸可隨風(fēng)搖移，形成上下反對(duì)稱的合理格局、則“墩式柱”是會(huì)有抗風(fēng)的能力。具體到應(yīng)塔夠不夠則須經(jīng)計(jì)算確定。另對(duì)上下斷柱插入梁垛難題，首先結(jié)合實(shí)際從力學(xué)角度視該處確實(shí)是梁的嵌入端支座，同時(shí)又是柱的組成部分，據(jù)此可設(shè)定該部為“夾有五，六層枋梁的暗框架結(jié)構(gòu)”，而后按塔體所受負(fù)載及風(fēng)力作力學(xué)計(jì)算，若計(jì)算能通過，則說明設(shè)定是正確的，另也證實(shí)塔結(jié)構(gòu)安全可靠。以下即依此進(jìn)行計(jì)算。

2.1結(jié)構(gòu)組成與計(jì)算取層

塔結(jié)構(gòu)由五個(gè)結(jié)構(gòu)單元層組成，其二到五每層層高8.8m。是由底起明層2.8m高的長段柱、2.4m高梁垛、1.8m高撐架短段柱、1.8m高上層梁垛，依次組成。結(jié)構(gòu)的立面局部簡圖如圖3示。其平面的梁柱布置可見圖1，只是其中未示出拉結(jié)內(nèi)外角柱的八處輻射向梁。以下計(jì)算取第二層為計(jì)算單元（按理應(yīng)取底層，但由于依據(jù)的文[1]中繪出的柱長9.05m，推理明顯屬誤，卻無法落實(shí)，故如斯）

圖 2 局部立面結(jié)構(gòu)圖

2.2風(fēng)載

配合取第二層計(jì)算的粗泛，今簡化風(fēng)載計(jì)算為：考慮樓體下寬上窄，以及屋頂收尖，風(fēng)壓是上大下小，今按樓體上下同寬，為25m，風(fēng)壓上下等值90kg/m2、取屋頂高54m，底層高按文[1]取14.65m；則于第二層頂接收傳來的風(fēng)剪力V及風(fēng)力矩M分別為：

V=25×（54-145-8.8）×90=62738kg=69t

M=69×（5.4-14.65-8.8）/2=1050T.M

風(fēng)對(duì)第二層外周面作用的總風(fēng)力W為：

W=25×8.8×90=19800kg=20t

2.3上部傳下的靜壓重

據(jù)錄繁興陳四營著《古建筑保護(hù)研究》載：二層總受壓力2015t，它是由32根柱合作承受，今計(jì)及各柱承擔(dān)的面積大小不同，取外角柱承力為Nmax（最大壓力），外面柱承力為Nmin（最小壓力），此二的量值分別是均值N乘以系數(shù)1.5及0.8.則其值分別為：

均值N=2015/32=63t

最大值Nmax=63×1.5=95t

最小值Wmin=63×0.8=50t

2.4有關(guān)風(fēng)力下傳的力性力理機(jī)制

從圖1的布局來看（若補(bǔ)繪出連接內(nèi)外角柱的八向輻射梁則更清晰）梁柱的布設(shè)是相當(dāng)嚴(yán)謹(jǐn)，以入個(gè)梯形格圍合成外徑25m的巨型八角筒，每折角都是三向梁的搭摞拉接，其交點(diǎn)正對(duì)上下段柱中心，這對(duì)塔結(jié)構(gòu)整體、抗風(fēng)的剛度、穩(wěn)定是十分有利。今根據(jù)柱上下傳力順暢，雖然全高有70道水平切縫，只要下傳的力能足夠大，梁就是能嵌固在柱里形成框架。這是抗風(fēng)能力的出處根源。風(fēng)對(duì)塔體的作用是，隨了位置的愈下，形成愈大的風(fēng)剪力與風(fēng)力矩，風(fēng)剪力的下傳不同于豎重力可無牽扯真貫下去，而是隨了下傳就生成新的力矩，須以其下承力結(jié)構(gòu)的迎拉背壓來了結(jié)。這里的迎拉背壓，細(xì)想來看，是存在一種機(jī)制，就如足踩樹下直角叉的橫枝，手推豎枝，意欲掰直的生掰硬蹩。正是此塔體中梁枋與段柱間的生掰硬蹩，形成了可稱是“令橫風(fēng)生豎拉壓下傳”的機(jī)制。對(duì)此機(jī)制須是徹底領(lǐng)悟并作計(jì)算證實(shí)。

2.5風(fēng)載下應(yīng)塔樓柱的內(nèi)力計(jì)算

2.5.1從二層柱的受力確認(rèn)暗框架的成立

對(duì)二層層高8.8m頂?shù)c(diǎn)的定位，根據(jù)力學(xué)原則取反彎點(diǎn)，應(yīng)是明層長段柱的中點(diǎn)。該處的傳力只有軸向力N與風(fēng)剪力V，此N包括上部樓體壓重及上部風(fēng)下傳生成的豎拉壓力。由前節(jié)2.2知，本層頂受的風(fēng)剪力V是69t，力矩是1050t·m，此1050t·m的力矩,通過上層的強(qiáng)力轉(zhuǎn)換，按材料力學(xué)理論是會(huì)形成本層柱群迎風(fēng)側(cè)受最大拉、背風(fēng)側(cè)受最大壓、中和軸處為零。今為簡化計(jì)，取迎、背側(cè)各有四柱且相距23m來承擔(dān)此轉(zhuǎn)換作為。于此可知經(jīng)轉(zhuǎn)換后，迎、背側(cè)角柱受的拉、壓力N為：

N=1050/4×23=11.4t

將此11.4t與前節(jié)2.3中的靜壓疊加，即可知在風(fēng)作用下柱軸力的相關(guān)值：

平均值 N=63t

最大值 Nma×=63×1.5+11.4=106t

最小值 Nmin=63×0.8-11.4=39t

這里Nmin是39t的壓力，說明在大風(fēng)中，上部的靜載壓重是能確保大風(fēng)時(shí)結(jié)構(gòu)中存在的整面接縫不會(huì)拉開，是十分穩(wěn)當(dāng)，其上部不會(huì)栽根頭翻個(gè)。另外柱的平均受壓63t是不小，其在下傳過程中，會(huì)將塔柱中長及短段柱端與三向?qū)訉盈B摞梁支座部構(gòu)成，滿足要求而有余的充分壓實(shí)。這從受力角度講，該處雖然是上下左右搭摞，卻可稱是實(shí)實(shí)在在上下傳力的柱，而三向與其相交是真真切切的嵌固，此嵌固結(jié)合就成就了抗風(fēng)時(shí)所需木質(zhì)框架的力學(xué)能力要求。今考慮梁垛高域內(nèi)無實(shí)柱的實(shí)況，稱此框架為暗框架，則相鄰二柱間每一條梁就是一榀暗框架（柱是左右共用），據(jù)此，從圖1平面來看，每層外周梁有3×8=24根。內(nèi)周梁及輻向梁各8根，此三者共24+8+8為40根。查豎向梁的層數(shù)計(jì)及普柏枋，是下6上5共11層，這樣單個(gè)結(jié)構(gòu)單元層具有40×11=440榀暗框架，考慮到抗風(fēng)時(shí)平行風(fēng)向的框架出力是全效，垂直風(fēng)向者無效，45°斜交者有效率71%，今依此計(jì)算其總有效架數(shù)為275榀。

2.5.2計(jì)算暗框架

時(shí)暗框架抗風(fēng)的力學(xué)機(jī)理，我們可從觀察砼框架抗風(fēng)工作中取得感知認(rèn)識(shí)，今從圖4（系由二柱多層框架中切取四反彎點(diǎn)之間的一段）看，當(dāng)頂點(diǎn)承受風(fēng)剪力V、層高為H時(shí)，通過計(jì)算可知，不論梁處于何位，其左右兩端的端彎矩之和必等同V·H值，于此推論，當(dāng)二柱間有 n條梁，且各梁端受彎最大應(yīng)力皆達(dá)允許值［σ］，設(shè)梁截面為邊長為b的正方形（其截面模量（抗彎抵抗矩）為b3/6）；則此時(shí)可允許V·H值如下：

VH=n·[σ]·b3/6

今結(jié)合應(yīng)塔實(shí)際：n=275，H=880cm

[a]據(jù)文[2]中節(jié)3.1皆取為476/2=234kg/cm2

V=69t=69000kg

則69000×880=275×234×b3/6

據(jù)上式計(jì)算b=17.8cm。其前面模量=17.83/6=940cm3，今查文[2]中表6-1所列二層用料，推理可知梁寬為250高為180，其截面模量W=250×182/6=1350cm3，于此看得出：實(shí)有的W比所需的W是大出近50%。

圖 3 二柱單元框架抗風(fēng)形變內(nèi)力示意圖

以上對(duì)梁架的計(jì)算表明：第二層結(jié)構(gòu)單元在抵抗其上來風(fēng)時(shí)，是僅用梁架中的梁垛部即完全有能力承擔(dān)，且有近50%的富余，無需梁架中的撐架出面抗風(fēng)。細(xì)品圖3中梁工作的力性可看出，當(dāng)風(fēng)要推倒柱時(shí)，是固端的梁寧直不彎的硬蹩起了作用，此硬蹩的力構(gòu)成了對(duì)圖4中迎風(fēng)側(cè)柱的上挑受拉，及對(duì)背風(fēng)側(cè)柱硬按受壓的局面，正是此梁內(nèi)力操作特征，協(xié)同柱構(gòu)成了塔屹立千年的偉績。

2.5.3對(duì)梁垛柱段組合單元層柱的整體受力計(jì)算

柱的常規(guī)工作是受壓，當(dāng)抗風(fēng)時(shí)會(huì)出受彎受剪工作，就受剪來看，二層所受風(fēng)的總剪力為252（54-14.65）×90=88378kg，此力由32根直徑54cm的柱承擔(dān)，其生成的剪應(yīng)力=88.538/32×π×272=1.2kg/cm2。其中，即使從接縫面抗剪來看，坡角為88.538/2150=4.1%，很小，無安全問題。對(duì)受彎，今取風(fēng)力作用下受力最不利的迎背側(cè)角柱計(jì)算，其所受柱頂來的風(fēng)剪力值為25×（54-14.65-8.8）×90/32=2.156t，再還有本層外周的風(fēng)力作用于本層高度的中點(diǎn)，其值為25×8××90/32=0.625t。以上二風(fēng)力將生成柱底反力=2.156+0.625=2.78lt，此三力對(duì)柱的作用是要柱傾倒，此時(shí)上五下六的框架梁將提供力矩不允柱傾，此情況下每根梁提供的力矩值為=（2.156×0.8+0.625×44）/11=1.975t·m。為簡捷計(jì)算，將五梁六梁作用的力矩各并為一力偶，M5、M6，其臂距取為各自部的全寬，則力偶M5、M6的力值N5、N6分別是N5=5×1.975/1.8=5.5t，N6=6×1.975/2.4=4.938t。將這些力值數(shù)據(jù)列入圖4，經(jīng)計(jì)算（此略）則得圖4中的彎矩圖，其最大值為3.89tm。于此須知，彎矩圖中的值，僅是風(fēng)力下傳中“橫（剪）轉(zhuǎn)換豎拉壓”過程中生成的內(nèi)力，今要了解柱受力的全面情況，則尚須疊加其上傳未的靜壓重及風(fēng)生軸力。為此計(jì)算須由內(nèi)力層面進(jìn)入應(yīng)力層面，今計(jì)算彎矩3.89tm生成的邊緣應(yīng)力（按直徑54cm計(jì)）σ=389000/0.0982×543=25.2kg/cm2，將此疊加前節(jié)2.5.1的相關(guān)值即得生成于背（迎）風(fēng)側(cè)的最大（最?。?yīng)力分別為：

σmax=25.2+106000/π×272=71.7kg/cm2

σmin=-25.2+39000/π×272=-8.2kg/cm2

此最大應(yīng)力71.7是遠(yuǎn)小于文[2]頁110中的467kg/cm2之半。這表明受壓的安全余度很大，而σmin為負(fù)值說明截面邊緣出現(xiàn)了拉應(yīng)力，為有力思辨此情況，今計(jì)算該面受壓側(cè)的邊緣壓力σ=25.2+39000/12=42.2kg/cm2，此計(jì)算表明壓應(yīng)力是拉動(dòng)的約5倍，于此推理知：受拉離縫的深僅為直徑54cm的六分之一，即9cm，而截面的受壓區(qū)為45cm寬，這充分表明即使開裂9cm深。其截面受壓拉都是安全可靠的。

計(jì)算至比可說是以腦智辟路、手寫算畫完成了靜力的思辯推理分析計(jì)算，下步應(yīng)是作抗震驗(yàn)算，但結(jié)合塔底層僅由32柱支持，概無抗側(cè)力構(gòu)件，其在屹立千年間，遭六次烈度6以上地震，最大烈度7~8，據(jù)此而論，塔是自隔震結(jié)構(gòu)，故無須計(jì)算抗震。

圖 4 夾梁的段柱彎矩圖

3 難得的珍貴收獲

3.1計(jì)算古建結(jié)構(gòu)（甚至一些創(chuàng)新結(jié)構(gòu)、復(fù)雜難題）不能單用有限元，必須有腦智的思辨推理計(jì)算給出薄弱面目標(biāo)

對(duì)古建結(jié)構(gòu)作力學(xué)計(jì)算的基本要求是，給出主結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的最不利受力狀況、薄弱環(huán)節(jié)、安全余度，以便于維護(hù)工作做深做細(xì)。對(duì)照我國從1973年起始要求計(jì)算50年來，特別是近三十年來，國家下大力推進(jìn)計(jì)算，是出現(xiàn)了不少成果。但遺憾的是，由于都是獨(dú)用有限元，這一囿于編程，有既定范疇，只能單方面運(yùn)算，不能全方位工作，致使如巨著《應(yīng)縣木塔保護(hù)研究》雖用了近百頁的幅面，也未能滿足給出關(guān)鍵數(shù)據(jù)，將結(jié)構(gòu)工作的力性講清道理。應(yīng)當(dāng)承認(rèn)有限元是很好的力學(xué)計(jì)算工具，須在腦智思辨協(xié)同下推理運(yùn)用。否則它會(huì)以其表面顯赫，可隱現(xiàn)高科技，更能輕松快捷地了結(jié)差事的誘惑力，在無知覺中形成嚴(yán)重差錯(cuò)（如對(duì)2008奧運(yùn)四場(chǎng)館設(shè)計(jì)中，個(gè)個(gè)都存在可稱是違背力學(xué)基本原理的錯(cuò)誤；另對(duì)一鋼旋梯設(shè)計(jì)中，載入雜志2007-11鋼結(jié)構(gòu)中的竟比國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)“0ZJ401中的BLTB-B515”的用鋼多浪費(fèi)400%，而造價(jià)的浪費(fèi)更是在1000%以上），于此看出單用有限元，將腦智技手藝排除是不妥。今后作設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)是腦智技脅助電算最好，此中會(huì)出現(xiàn)左右推敲的慢條斯理，艱苦磨蹭，但對(duì)國家事業(yè)有益，是值得的。

3.2 應(yīng)塔的最大成就是以自身作了千年實(shí)驗(yàn)告示當(dāng)今：風(fēng)是施力、震乃輸能，對(duì)樓體結(jié)構(gòu)只要設(shè)計(jì)計(jì)算作好，就是既能抗風(fēng)又可隔震

有關(guān)應(yīng)塔底層用頂?shù)灼浇又纬晌腫3]述及的“搖移鉸墩柱構(gòu)架自隔震”作法，此類實(shí)例是很多。如在1976唐山地震中就喊出了“八柱支四梁重屋蓋就是好，高烈度區(qū)可多用”。這里的八柱就是搖移鉸墩柱。再有汶川地震中出現(xiàn)了如載于《建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)2011.5期第3頁圖4中，底層為砌塊柱支持的五層樓，其震損是柱頂砌塊被一層層壓碎，致底半層逐次塌下，但其上四層卻十分完好，竟連女兒墻頂?shù)幕ㄅ瓒荚徊粍?dòng)，這里底層砌塊柱實(shí)質(zhì)就是搖移鉸墩柱構(gòu)架機(jī)制。此外，從山野一些巨石其底支持面甚小的怪立，推理來看，都是千萬年來屢遭震襲的遺跡。這表明“既抗風(fēng)又自隔震”是自然現(xiàn)象之一。其之所以存在，是由于風(fēng)是逐步進(jìn)入、持之以恒、不能隔斷的作用力，而震撞是必須瞬間完成的高速輸能，是可以隔斷的。這從對(duì)置于地面上的木板釘釘子來看出，用大力按釘、踩釘都難以入木，但舉小錘擊之則釘可進(jìn)，這里反映出由于施力是慢動(dòng)作，其反應(yīng)的反力可完全聚集，而輸能的撞擊由于高速，瞬間來不及將反力聚齊，這就形成了反作用力小的緣故。此理亦可從槍彈打玻璃出孔而不裂，鋁杯掉石面上杯出小坑，此二現(xiàn)象皆無法在實(shí)驗(yàn)室以靜力的做法出現(xiàn)之事中說明，施力與輸能二者就是不同。于此也可看出，輸能是有“必須瞬間完成”的必要條件。對(duì)此仍可用釘釘子來領(lǐng)悟，即將木板置沙發(fā)軟墊上，擊釘則不進(jìn)，這表明受體柔化即失去“必須瞬間完成”的必備條件，因而失去輸能過程，起了隔震作用。千年應(yīng)塔能隔震，其因即在底層相當(dāng)柔化。無法完成“瞬間完成輸能”，震時(shí)形成晃擺柱，起了隔震作用。

地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用確實(shí)是異常復(fù)雜，它涉及震源與結(jié)構(gòu)物的方向、關(guān)系、頻數(shù)、幅值諸多因素難以有效應(yīng)對(duì)。長期以來不少學(xué)者是采用橡膠隔震來解決難題。但此作法存在橡膠老化變質(zhì)的壽命問題，再者用此法須多建一層地不室以放置膠塊與梁架。就此而論，采用自隔震（有關(guān)砼隔震柱的作法可見文[5]中的圖2）是極為簡便。但采用自隔震，人們是存在“風(fēng)與震皆為橫向作用，自隔震結(jié)構(gòu)真能隔去此留用彼嗎”的顧慮。對(duì)此是難以講清道理的，必須有實(shí)驗(yàn)證實(shí)。恰好的是，應(yīng)塔以千年經(jīng)歷六次烈度6~8的地震作了實(shí)體實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了只要設(shè)計(jì)計(jì)算周密，樓體結(jié)構(gòu)就是能取得“微歪抗風(fēng)、晃擺隔震”的兼得效益。于此可說，在人類運(yùn)用結(jié)構(gòu)自隔震的進(jìn)程中，是應(yīng)塔樹立起了里程碑標(biāo)志結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)。

于此須補(bǔ)充說明一點(diǎn)，即以上所說自隔震其實(shí)只是隔斷了地震作用中，地面對(duì)結(jié)構(gòu)底都沖撞的直接作用，而對(duì)地震的間接作用，即自振聚能動(dòng)力放大生成對(duì)相對(duì)細(xì)高的細(xì)囪、水塔、高聳架構(gòu)之頂端上部的振沖作為則尚難定論。今在此基本了解塔力學(xué)工作機(jī)制之下，我古建界應(yīng)是盡快將塔西南角六根歪斜過400mm的柱扶正，這是燃眉之急。其次考慮梁厚180是薄，宜將梁架中斜撐桿利用碳纖維布將其加固為拉壓皆強(qiáng)的桁架桿為好，這可為實(shí)現(xiàn)學(xué)者葛家琪，柴曉明在文[4]中提出“應(yīng)塔將能夠屹立在新的千年”里墊底。再者，也應(yīng)大力宣講應(yīng)塔的高技巧力性力理，讓這座人們起始不敢想能抗風(fēng)更能隔震的高水平結(jié)構(gòu)物也進(jìn)入世遺殿堂，與半實(shí)體（墻厚3.2~2.4m）全無技術(shù)含量的比薩塔平齊，而不是“低人一等”，只有這樣，才能對(duì)得起祖先人民和國家。

后記

李豪邦先生此信寫于2024年6月4日，寄信郵戳日期為6月8日。先生時(shí)年已94歲，在稿紙上邊緣寫道：“張教授：您好！呈您下文敬請(qǐng)指正為盼。寫此文很不順利，文研部門不給出石礎(chǔ)墻的實(shí)情，對(duì)2010發(fā)表的初探應(yīng)塔力學(xué)機(jī)理一文也概不置許。因已聾就失去了與學(xué)友的切磋提高，老伴更是因我耳目衰退恐瞎恐癱，隔斷對(duì)外連系，不告我來電話實(shí)情，只是管不了我去省市圖書館，寫算，才能完此拙作，算是了卻一番心愿。李豪邦 2024.6.4”

先生手書字小，交予打字員打來的初稿錯(cuò)誤頗多，我又逐字改正。待讀完全文，不由得肅然起敬，先生表述準(zhǔn)確、計(jì)算準(zhǔn)確，行文嚴(yán)謹(jǐn)，所思所想集畢生工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與思考，其結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖的提取，及其計(jì)算結(jié)果，與顯明的自然現(xiàn)象及本原的自然規(guī)律可相映證而吻合。我只是打印校對(duì)，對(duì)原文一字未改。

——張鵬程 2024年7月28日

參考文獻(xiàn)

[1] 陳明達(dá)、應(yīng)縣木塔[M]。文物出版社，2001

[2]侯衛(wèi)東、王林安、永昕群，應(yīng)縣木塔保護(hù)研究[M]，文物出版社2016

[3]李豪邦。初探應(yīng)縣木塔屹立千年的力學(xué)機(jī)理[C],工業(yè)建筑增刊2010

[4]葛家琪,柴曉明,劉金泰,不可移動(dòng)文物安全穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)防控現(xiàn)狀與思考-以應(yīng)縣木塔為例[J]，中國文化遺產(chǎn)

[5]李豪邦，梁云峰，建筑震害的主導(dǎo)物理量應(yīng)是地面動(dòng)位移速度的反復(fù)沖撞輸能[C]。工業(yè)建筑增刊2018

（本文作者：李豪邦，中國建筑東北設(shè)計(jì)研究院原副總工，撰稿時(shí)年94歲；通訊作者：張鵬程，博士，廈門大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院副教授，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究）

（本文經(jīng)作者授權(quán)刊載，中國民族建筑研究會(huì)信息宣傳部整理、編輯，更多精彩內(nèi)容敬請(qǐng)期待下期）