应县木塔结构监测与试验分析研究综述

       1933年9月，梁思成、刘敦桢和莫宗江首先以调查和研究为目的找到应州塔并公之于众，揭开了应县木塔多学科研究与综合保护的序幕(1933年前应州塔的照片见图1)。1950年7月，中央文化部文物局组织雁北文物考察团对应县佛宫寺释迦塔进行调查，在报告中明确指出应县木塔当时的安全状况:“在各明层的楼板以上内外两槽柱之间的一周，是塔内瞻拜的通道，内槽柱以内是设佛像的位置，都不可能应用斜撑来防止塔身倾斜，全靠夹泥墙内所用的斜柱扶持。自夹泥墙被拆除改成格扇门以来，仅仅经过十四五年，塔身已可以看出斜向东北。在第二层内的各柱向东北倾斜最甚，上部的重心已经离开了正中，各柱头的榫口大多已经松脱，或已因倾斜扭转而劈裂，如果听任这种情况继续恶化下去，将更难修理，甚至可能突然坍塌。”

图1 应县木塔1933年应县木塔历史照片

      1961年，应县佛宫寺释迦塔被国务院公布为第一批全国重点文物保护单位。1974～1981年，国家文物局组织实施了应县木塔抢险加固工程，对于局部残损严重的构件和部位进行了增强加固维修和支撑保护，遗憾地是当时的工程图纸档案资料极少留存。近20年来，国内数十家单位围绕应县木塔的保护和研究开展了大量的建筑历史、勘察测绘、结构试验与计算分析和监测评估的研究工作，取得了初步的研究成果。本文系统梳理和归纳了应县木塔以往的研究和保护成就基础上，提出应县木塔结构计算理论研究和维修加固系统方案的工作设想(应县木塔现状照片见图2)，以供应县木塔保护和研究专家学者参考。

图2 应县木塔2009年南立面照片现状勘察与测绘(杨树/摄)

       应县木塔现状勘察与测绘，是结构监测与试验分析工作的基础。1933年，梁思成与刘敦桢组织了应县木塔首次调查测量工作，参加工作的还有莫宗江和纪玉堂等。1935年由莫宗江绘制了1:50的实测图，在绘制过程中，还曾赴应县木塔补充测量。这批图纸在抗日战争时期受损严重，1942年，陈明达先生根据这些残余的图稿，绘制1:20的详图，1954年按此图制作应县木塔模型。1962年，陈明达和黄逖赴应县测量绘制应县木塔图纸，彭华士摄影，孟繁兴抄录碑记，为陈明达先生编著的《应县木塔》提供了重要的基础资料。1991年1月，北京建筑工程学院古建筑研究室利用全站仪等当时较先进的设备，完成了应县木塔现状测绘的任务，提交了整套的现状测绘图纸。1994年，中国文物研究所(中国文化遗产研究院前身)完成了应县木塔残损现状测绘图。2000年，山西省古建筑保护研究所完成应县木塔残损状况实测图和应县木塔残损现状图。2010年中国文化遗产研究院组织有关单位，利用三维激光扫描仪完成应县木塔局部结构三维实测与绘图工作，获取了二层明层的三维空间变形现状的精确化数据。应县木塔重要测绘勘察记录见表1。

表1 应县木塔重要测绘勘查汇总表

       2000年完成应县木塔塔基岩土工程勘察工作。探明塔基由两部分人工填土组成，其中间为厚度5.0米的夯实粉土，底层台下为夯实密度较差的粉土，二者皆下卧于粉土层之上。应县木塔地震基本设防烈度为7度，利用实测波速值划分的场地类别为Ⅲ类。还根据标准贯入法判定了应县木塔地基为不液化场地，用波值法及地基承载力判定该场地可不考虑震陷影响，塔基稳定，塔基土的不均匀沉降不是构成木塔倾斜的主要原因。

      应县木塔承重构件的材质状况差异性很大，经现场多次勘察，根据其残损程度和性质，可以将这些构件划分为三种类型，其一是外观良好的构件，材质无明显的劣化与腐朽，主要包括三层以上的柱、梁枋等。其二是由于受荷载过大而出现裂缝、压缩变形等残损点的构件。另外就是由于受到炮弹、子弹等外部作用冲击而造成机械损伤的构件，这些构件主要分布在二层明层以下各层。树种鉴定的结果表明，栌斗为榆木属，个别散斗为硬木松属，其他柱、粱、枋、华栱和散斗等均为落叶松属。利用木材阻抗仪和应力波二维成像仪器检测柱子内部材质状况，总体而言，与上部构件相比，三层明层以下各层木构件材质破坏程度相对较为严重。

      1975年，开始了应县木塔结构监测的工作。1975年至2004年期间，应县木塔结构变形监测情况如下。

(1) 1975～1977年，太原理工大学利用布置在木塔上的变形监测点进行了应县木塔变形测量。

(2) 1991年，北京建筑工程学院利用全站仪等测量设备完成应县木塔现状变形测绘工作，获得各层各部位构件的倾斜、弯曲、扭转等相对变形数据。

(3)太原市勘察测绘研究院分别于1999年11月、2001年8月和2004年8月，在木塔周围建立观测基准网，采用大地测量和全球卫星定位系统等两种方法进行变形测量。

(4) 2007年9月，中国文化遗产研究院负责组织研究和编制完成“应县木塔监测系统方案设计”，2008年2月开始实施，主要内容包括变形连续监测、结构动力特性监测、地震与地面脉动监测和环境监测等内容，该监测系统目前仍在运行。

结构变形监测  

整体结构变形

(1)高度变化

1961年，应县木塔塔基台明至塔顶的净高为62.91米，之后1975年、1991年、2001年和2011年的分别实测应县木塔的高度数据，绘制1961年至2011年期间应县木塔净高变化曲线(见图3)。由图可知，应县木塔高度呈现逐年降低的趋势。考虑到测量设备差异与测量误差的影响，不计1961年与1975年的数据，近20年来应县木塔净高降低了119毫米。

图3.1961年～2011年应县木塔净高变化曲线

(2)各层水平位移变化量

       应县木塔各层水平位移量是反映木塔在水平荷载作用结构残余水平变形累计量的重要指标，对其变化趋势的监测和分析是应县木塔整体结构变形监测的重要内容之一。中国文化遗产研究院实施的应县木塔整体结构变形监测的结果显示，2010年9月至2011年10月期间，应县木塔顶层的水平位移增加量为12.9毫米，其余各层水平位移量(见图4)。各层水平位移方向不完全相同，其中塔顶水平位移的方向为北偏东10.8°。

图4 应县木塔名义结构层及各层监测周期内的水平位移增量曲线

(3)层间位移变化量

       层间位移变化量是反映各层水平位移变化量相对值的指标，反映了各层柱头相对于柱脚的相对水平位移，能够真实反映各层的水平倾斜变化量。依据图4应县木塔各层水平位移的监测数据，可以求出应县木塔各层在2010年9月至2011年10月期间层间水平位移的变化量(见图5)。该曲线显示，二层明层层间位移增量最大，监测周期内比其他各层层间位移增量平均值高出一个数量级。

图5 2010年9月至2011年10月期间应县木塔层间位移增量曲线

局部结构变形

应县木塔明层柱子的柱脚平放于梁栿之上，柱头与阑额通过榫卯相连，参考国内外古建筑木结构安全评估标准，定义应县木塔明层柱子安全状态界线如下。

(1)安全线，是以柱脚中心为圆心，以H/30为半径的圆，H为柱高；

(2)濒危线:以柱脚中心为圆心，其回转半径i为半径的圆；

(3)失稳临界线:柱脚截面外接圆。

       当柱头中心竖直投影点落在安全线之内，柱子处于稳定状态；投影点落在安全线与濒危线之间的称为濒危状态；投影点落在濒危线与失稳临界线之间时，称为临界状态，超出失稳临界线的，称为失稳状态。应县木塔二层明层柱子在1991年和2010年的倾斜状态见图6，其中红色柱子表示处于失稳状态，绿色表示临界状态，粉色表示濒危的水平，黑色表示稳定状态，各种倾斜状态柱子的统计数据表格见表2，图6和表2显示，近20年的时间里，失稳状态柱子的数量增加了80%，在该层所占的比例由15.625%，增加到28.125%。

图6 1991年与2010年二层明层柱子倾斜状态分布图

表2 1991年及2010年二层明层柱子倾斜状态表

       监测结果显示，近20年来，应县木塔二层明层整体和局部倾斜变形都在继续发展，而且倾斜方向一致，2004年至2010年期间整体倾斜位移是18.17毫米，是1991年至2004年的14年间整体倾斜位移7.89毫米的2.3倍，平均变化速率是其5.37倍。2004～2010年，二层明层西南面北平柱柱头水平位移增量为69.7毫米。1991～2004年间位移增量为22.0毫米，前值是其3.17倍，倾斜变形变化速率相差6.40倍，见图7和图8。

图7 二层明层西南面北平柱柱头

图8 二层明层柱头整体水平位移增量曲线

      由上述监测数据知，应县木塔二层明层的倾斜变形仍在继续发展，这是应县木塔整体结构体系中最大的结构安全隐患。控制二层明层倾斜变形的进一步发展，是当前应县木塔修缮加固的关键和重点。

结构动力特性监测

      结构动力特性是反映应县木塔结构抗震、抗风或抗御其它动荷载的性能和能力及其变化情况的重要指标。2008年4月，应县木塔结构动力特性测试获得的自振频率见表3，前三阶振型见图9，第一阶振型阻尼比为7%9。表3还显示出2003年测试获得的结构自振频率10，两者相比，除了基频基本相等外，2008年第二、三阶结构自振频率分别降低了2.8%和9.7%。应县木塔整体结构的动力性能有所变化，而其客观规律的认识和把握还需要进一步的监测与分析。

图9 应县木塔无游客时南北方向的振型

表3 自振频率测试分析结果

       应县木塔地震监测始于2008年2月，分别在应县木塔塔基北缘和塔东北100米处自由场地设置一个三分量力平衡加速度传感器，在监控室布设一台18通道数据记录仪，构成地面脉动及地震监测系统，该系统采用交流供电。

      2008年4月至2008年7月，获得应县木塔周边大型施工机械振动引起的地面脉动记录874条，平均每日约10条。此外，还监测到2010年6月5日20时58分发生在太原市阳曲县一次地震事件。本次地震事件在应县木塔塔基与自由场地的南北方向地震加速度峰值分别为3.6和5.7，前者是后者的63%，这与塔基具有良好的减震作用有关。应县木塔地震监测不仅为抗震性能分析与加固设计研究提供第一手地震数据资料，还定量证明了应县木塔塔基的减振效果。

风荷载及其效应的现场实测

       风荷载和地震作用是应县木塔所承受的两种主要动力荷载。其中风荷载出现频率高，在多次强风作用下，以及长时间中、小强度风荷载的累计作用下，将使木塔构件的现有残损状态和结构倾斜变形的进一步发展，从而对木塔的安全性造成较大威胁。

       木塔所在地应县位于大同盆地南部，呈平行四边形，地势南高北低，并由南向北倾斜，境内相对高差1350米，全县可分4大地貌单元，即高大的基岩山区、黄土丘陵区、倾斜平原、冲洪积平原。应县属温带大陆性气候，受季风影响。因此，应县木塔所处风环境较为复杂，常常遭遇大风作用。

      应县木塔结构体型复杂，且木塔各层都有较长的挑檐，易引起强烈的气动分离，此外，整个塔体各个楼层存在通透空间，使木塔表面的风压分布的变得十分不均。进行风洞试验，准确模拟所处地形条件及塔体几何外形较为困难。因此，应县木塔的风环境和塔体表面风压的现场实测成为有效的手段。

      2010年，实施了应县木塔风荷载及其效应现场实测与数据分析工作，为下一步应县木塔整体结构抗风抗震精确化数值计算分析提供了科学的荷载依据，主要内容包括:(1)实测应县木塔所在区域的大气风速。在应县木塔外墙、内墙、门窗、屋面等部位共计布置84个风压传感器，实测木塔结构表面风压。(2)基于实测数据，统计分析了应县木塔所在场地的平均风速、风向和脉动风特性，求得木塔表面风压体型系数值。(3)根据实测得到的木塔体型系数值，并考虑结构的风振动力效应，计算应县木塔表面的风荷载值，以及风荷载引起的各个楼层处剪力值。

试验研究

木材材质力学性能试验

      应县木塔木材物理力学性能取样试验研究的结果表明，样品试验值与我国现代结构用木材相应强度指标接近，说明应县木塔主要承重结构构件的物理力学性能保持良好，是应县木塔屹立千年不倒的重要保障。

铺作节点力学性能试验

      应县木塔铺作层是其结构体系的重要组成部分，在保持结构体系的稳定性和完整性方面发挥着关键作用。通过1:1比例模型试验，解析了该铺作节点的内部构造，研究了铺作节点在水平和竖向荷载作用下的力学性能，16水平荷载-位移滞回曲线见图10，竖向荷载-压缩位移曲线见图11。本试验数据和分析结果是应县木塔整体结构计算、监测数据分析与评估的重要依据。

图1 0 应县木塔二层明层铺作节点水平荷载-位移滞回曲线

图1 1 应县木塔二层明层铺作节点竖向荷载-压缩位移曲线

模型试验研究

      近些年也开展了局部结构缩尺模型试验研究应县木塔结构力学性能的工作，其中较典型的是以三层平座层与二层明层为原型，制作了比例为10:1的试验模型，研究了应县木塔层间恢复力特性。15由于应县木塔结构及其构造特点，决定了模型的尺寸效应尤为显著，模型制作工艺和精度直接影响其力学性能，因此试验结果与结构实际力学性能之间的关系还需要进一步的研究。

有限元数值计算

      应县木塔整体结构力学性能方面的研究工作刚刚起步。利用有限元数值分析软件，建立应县木塔整体结构有限元数值模型，进行各种工况下的受力分析，取得了初步的成果，为研究设计应县木塔结构修缮加固方案提供了参考。当前有关应县木塔整体结构有限元数值模型的文献资料基本情况汇总于表4。总体而言，由于现场勘察工作的不足，这些模型还不能真是反映应县木塔整体结构构造及残损现状的实际情况，数值模型几何尺寸与实际结构也存在有较大差异。其次，模型铺作层简化过于粗略，与实际受力模式不一致。由于上述两方面的原因，缺少对应县木塔柱头柱脚节点、榫卯节点和铺作层的传力机理的深入认识和把握，模型中选择的力学本构关系需要模型试验结果的校正。各模型具体情况详见表4。

表4 应县木塔整体结构有限元数值模型研究现状

抗震抗风计算理论不成熟

       应县木塔结构体系与构造做法，与现代结构体系不同，现代结构抗震抗风计算理论并不适用于应县木塔结构的抗震抗风计算。目前，还缺少专门针对应县木塔结构抗震抗风计算的理论研究。

      应县木塔结构体系及其构造做法有其特殊性，在进行保护设计与实施中，应该针对应县木塔的特色，研究开发专门的保护技术。

缺少结构安全评估方法与标准

      应县木塔结构安全评估方法和标准，是研究制定保护技术方案，进行保护决策的依据。目前，由于缺少应县木塔结构专门的抗震抗风计算理论，相关的试验与研究分析工作也没有展开，专门针对应县木塔结构安全评估的方法和标准也没有建立。以至于现有评估工作，职能参考或借鉴其他结构类型的方法和标准，缺乏科学性。

       进一步加强应县木塔结构计算理论的基础性研究工作，通过试验研究和理论分析，取得墩柱抗风隔震结构计算理论的突破，是进一步开展应县木塔精确化结构计算分析的基础。在结构计算理论分析与试验研究的基础上，建立应县木塔结构安全评估方法和标准。同时，选用合适的测绘技术，建立应县木塔整体结构现状三维基准几何体系，为应县木塔综合研究及结构监测安全评估提供依据。

      致谢:本文工作得到中国文化遗产研究院副院长、总工程师侯卫东研究员的指导和帮助，副总工程杨新、沈阳和李宏松在应县木塔监测项目中给予了指导和帮助，研究生肖碧勇、王毅欣在试验研究和数值计算方面完成了一些具体的工作，在此深表感谢。

      说明：“佛宫寺释迦塔”和“应县木塔”在当今文献中同时在应用，此外还有“应州塔”和“应县佛宫寺辽释迦木塔”的别称，为了称呼的一致性，本文统一称为“应县木塔”。