Review of Studies on Seismic Performance of Ancient Wooden Buildings Considering Non Structural Members
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摘要: 木结构古建筑是我国文物建筑的主体，它以木材为主要承重构件，具有深厚的历史文化价值。本文根据已有研究，从结构试验、数值模拟、抗震性能评估方法3个方面，总结了含有隔墙、隔扇、雀替等非结构构件的古木建筑抗震性能研究现状。研究表明，非结构构件可以限制榫卯节点拔榫，改善节点受力，不同程度提高结构的强度、刚度和耗能能力，降低了结构在地震作用下坍塌的概率。最后结合我国木结构古建筑的研究现状以及与其他国家的研究差异，给出了未来木结构古建筑抗震性能的可能研究方向。Abstract: Ancient wooden structure is the main part of the cultural relics in China, which takes wood as the main load-bearing component and has profound historical and cultural value.Based on previous studies we summarize the research progress of the ancient timber structures seismic performance from three aspects of experimental research, numerical simulation and seismic performance evaluation methods.In this paper we mainly consider the influence of non structural components such as masonry infilled wall, wood partition board and sparrow. We find that the non structural members can limit the tenoning of mortise tenon joints, improve the stress state of joints, improve the structural stiffness, strength and energy dissipation capacity, and reduce the collapse probability of the ancient wooden structure under earthquake. Finally, combined with the research status of wood structure ancient buildings in China and the differences with other countries, the future research direction of wood structure ancient buildings in China is given in the paper.
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引言
自20世纪80年代后期，我国开始实施“西电东输”项目，1989年9月建成并运行了第一条高压直流输电（HVDC）线路，即葛洲坝至上海的HVDC线路，简称葛上线。随着国家经济的迅速发展和社会民生用电需求的增加，目前全国投入运行的远距离HVDC工程近30个，不包括背靠背直流联网工程、轻型直流输电、跨海峡海底电缆工程、向大城市送电的直流输电及部分向孤立负荷点送电或从孤立电站向电网送电的直流工程。
HVDC不仅对地磁场造成干扰，也对地电场、地电阻率造成干扰。有关学者（唐波等，2011；蒋延林等，2014）进行了HVDC线路对地磁场干扰的研究，研究结果表明，HVDC主要影响地磁场Z分量，影响因素与台站到线路的空间距离有关，在仅有接地区附近的台站还受接地极走线、接地位置的影响，严重时地磁场的几个分量都会受到影响。
对于直流输电线路离开地电场台站的最小距离，国家还未出台相关规定。根据《地震台站观测环境技术要求第2部分：电磁观测》（GB/T 19531.2—2004）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004），非工频人工电磁源在地电场观测场地测量极间产生的附加电场强度影响限值为0.5mV/km。有关学者（方炜等，2010；唐波等, 2013a, 2013b；马钦忠等, 2014, 2016）进行了HVDC线路对地电场干扰的研究，研究结果表明，HVDC对地电场的影响明显复杂于地磁场，对于磁电共场地的台站，不同的HVDC线路漏电，部分对地磁场影响较明显，多数对地电场的影响较明显，或仅影响地电场。这不仅与HVDC线路到台站的空间距离有关，还与HVDC接地点等有关，受线路入地电流、距离线路及接地极远近的影响较大，其中入地电流是决定性影响因子。本文对比分析新沂台周边8条HVDC线路对地电场的影响，并对影响机理进行初步研究，从而判断出具体的影响线路。
1. 新沂台地电场概况
新沂台地电场位于苏鲁交界的郯庐断裂带中南段，海拔高程约35.000m，台站基岩主要为红色砂岩。测区内新沂台第四纪覆盖为东薄西厚，变化范围为2—40m；南北向覆盖层变化范围较小，维持为2m左右；测区地形为东北略高、西南略低，总体相差1m左右。观测仪器为ZD9A-Ⅱ型地电场仪，测量频段为0—0.005Hz，观测数据产出为1次/m。布极方式为反L形，共布NS、EW和NE45°向3个测向，每个测向布长、短2种极距，其中NS和EW向长、短极距分别为400m、200m，NE45°向长、短极距分别为566m、283m。电极为Pb-PbCl2不极化电极，埋深约为3.5m。外线路采用埋地方式，观测系统建设及布极区环境情况均符合观测规范（中国地震局，2001）的要求。新沂台地电场2007年1月1日正式投入观测，除电极故障外，观测资料连续可靠，资料质量一直位居全国前列。
2. 影响新沂台地电场的线路概况
新沂台地电场在投入使用的最初几年基本未见HVDC影响，自2010年10月宁东线HVDC线路投入使用以来，2013年10月建成哈郑线，2017年陆续建成晋南线、锡泰线、扎青线、上临线，2018年建成宣城线等。上述线路均采用双极回路线路的方式，在正常情况下当一极导线发生故障，另一极利用大地作为回流电流，可能对地电场产生影响。在线路调试、检测、故障时段，不同线路对新沂台的影响相同，当影响量超过《地震台站观测环境技术要求第2部分：电磁观测》（GB/T 19531.2—2004）（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2004）要求的“不超过0.5mV/km”时，不同线路可能在不同程度上影响新沂台地电场的正常观测。至2019年初，影响新沂台地电场观测的HVDC线路共有以下8条：晋南线、锡泰线、宁东线、上临线、哈郑线、三常线、扎青线、昌宣线，空间分布如图 1所示，相关参数见表 1。
表 1 HVDC线路基本参数Table 1. The basic parameter of HVDC power lines线路名称 建成时间 额定功率/MW 电流/A 电压/kV 换流站 接地极 直线距离/km 接地极距离/km 三常线 2002年12月 3000 3000 ±000 常州 常州市正平村 300 340 宁东线 2010年10月 4000 3030 ±030 青岛 胶州市胶西镇 250 250 哈郑线 2013年10月 8000 5000 ±013 郑州 中牟县大孟镇 440 400 晋南线 2017年5月 10000 6250 ±250 淮安 盱眙县王店乡 100 200 锡泰线 2017年7月 10000 6250 ±250 泰州 兴化市大邹镇 60 200 扎青线 2017年11月 10000 6250 ±250 青州 青州市孟家村 300 300 上临线 2017年11月 10000 6250 ±250 临沂 沂水县富官庄乡 130 200 昌宣线 2018年12月 12000 6000 ±1000 宣城 宣城区古泉镇 310 370 3. 影响特征分析
HVDC技术将交流电通过换流站变成直流电，然后通过直流输电线路送往下一级换流站逆变成交流电（赵畹君，2004），整个系统基本由送端换流站、直流输电线路与受端换流站组成，外侧与交流系统相连。当HVDC线路间产生不平衡电流时，会对地电场观测产生影响，影响类型主要分为线路调试与检测、输电故障，其中输电故障又分为外线路故障、直流控制保护系统故障及二者相结合的故障。图 2—8所示为昌宣线（图 2）、三常线（图 3）、上临线与锡泰线（图 4）、哈郑线（图 5）、晋南线（图 6）、宁东线（图 7）、扎青线（图 8）影响新沂台地电场具有代表性的分钟值曲线。其中EnsL和EnsS分别代表NS长测向电场和短测向电场，EewL和EewS分别是代表EW长测向电场和短测向电场，EneL和EneS分别代表NE45°长测向电场和短测向电场。影响时段、变化特征等如表 2、表 3所示，表中影响量、幅值比的顺序为NS、EW、NE45°，幅度为0的不参与计算。
图 2 2018年11月13日新沂台地电场分钟值曲线Figure 2. The minute-value curves of geoeletric field long(a)and short(b)distance at Xinyi station on Nov 13, 2018
图 3 2018年7月27日新沂台地电场分钟值曲线Figure 3. The minute-value curves of geoeletric field long(a)and short(b)distance at Xinyi station on Jun 27, 2018
图 4 2019年2月20日新沂台地电场分钟值曲线Figure 4. The minute-value curves of geoeletric field long(a)and short(b))distance at Xinyi station on Feb 20, 2019
图 5 2019年3月11日新沂台地电场分钟值曲线Figure 5. The minute-value curves of geoeletric field long(a)and short(b)distance at Xinyi station on Mar 11, 2019
图 6 2018年6月15日新沂台地电场分钟值曲线Figure 6. The minute-value curves of geoeletric field long(a)and short(b)distance at Xinyi station on Jun 15, 2018
图 7 2018年5月30日新沂台地电场分钟值曲线Figure 7. The minute-value curves of geoeletric field long(a)and short(b)distance at Xinyi station on May 30, 2018
图 8 2018年3月24日新沂台地电场分钟值曲线Figure 8. The minute-value curves of geoeletric field long(a)and short(b)distance at Xinyi station on Mar 24, 2018表 2 HVDC对地电场长极距影响的基本参数Table 2. The basic parameter of the impact of HVDC on geoelectric field long distance线路名称 影响时段 影响量/mV·km-1 形态特征 幅值比 昌宣线 12:40—13:37
13:38—14:273.0、2.5、0.0
2.7、2.3、0.0NS与EW反向，幅度小，NE45°不明显
NS与EW反向，幅度小，NE45°不明显1.2:1
1.2:1三常线 17:17—19:28 2.0、2.1、0.0 NS与EW反向，幅度小，NE45°无影响 0.95:1 上临线 06:50—07:30 4.3、1.3、4.3 3个测向同向，EW向总体偏小 3.3:1:3.3 锡泰线 22:30—23:39 8.6、3.5、4.0 NS与EW反向、与NE45°同向，NS幅度最明显 2.5:1:1.1 哈郑线 18:41—19:08 1.5、0.8、0.8 NS与EW反向、与NE45°同向，幅度均较小 1.9:1:1 晋南线 15:30—19:33 16.8、9.4、18.7 3个测向同向，幅度均较大 1.8:1:1.99 宁东线 14:39—16:32 7.3、1.8、6.0 3个测向同向，EW向明显偏小 4.1:1:3.3 扎青线 17:30—17:57 1.6、1.3、0.0 NS与EW反向，幅度均较小，NE45°不明显 1.23:1 表 3 HVDC对地电场短极距影响的基本参数Table 3. The basic parameter of the impact of HVDC on geoelectric fieldshort distance线路名称 影响时段 影响量/mV·km-1 形态特征 幅值比 昌宣线 12:40—13:37
13:38—14:273.4、2.7、0.0
3.0、2.5、0.0NS与EW反向，幅度小，NE45°不明显
NS与EW反向，幅度小，NE45°不明显1.25:1
1.2:1三常线 17:17—19:28 2.2、2.3、0.0 NS与EW反向，幅度小，NE45°无影响 0.96:1 上临线 06:50—07:30 5.1、1.5、4.7 3个测向同向，EW向总体偏小 3.4:1:3.1 锡泰线 22:30—23:39 10.5、4.2、4.2 NS与EW反向、与NE45°同向，NS幅度最明显 25:1:1 哈郑线 18:41—19:08 1.8、0.9、0.9 NS与EW反向、与NE45°同向，幅度均较小 2.0:1:1 晋南线 15:30—19:33 18.7、9.8、19.1 3个测向同向，幅度均较大 1.9:1:1.95 宁东线 14:39—16:32 7.8、1.9、5.9 3个测向同向，EW向明显偏小 4.1:1:3.1 扎青线 17:30—17:57 1.9、1.5、0.0 NS与EW反向，幅度均较小，NE45°不明显 1.27:1 对影响特征进行对比，除表 2、表 3所示基本特征外，还存在以下现象：①昌宣线两段影响互为反向且影响幅度不同（图 2），这是因为进行了双向回路线路测试试验，且入地电流不同。目前影响新沂台运行HVDC线路均采用双向回路，2条线路分别出现故障或调试时，变化特征应与图 2午后2次影响时段形态相似，即影响形态互为反向。②扎青线影响量较小，由于当日存在少许外空扰动，最大扰动量超过1.0mV/km，造成干扰不易识别。因此，当地电场扰日变化逐渐增强时，距离较远的HVDC线路对新沂台地电场的影响不清晰或无法识别，这是仅记录到数次三常线、扎青线对新沂台地电场影响的一个原因。
由表 2、表 3可知，长、短极距之间的幅值比基本相同，但影响量存在差异，如NS、EW、NE45°长、短极距之间影响量比值基本维持为0.78:1、0.91:1、1:1左右。需指出，发生略明显的外空扰动时，各测向扰动最小变化量基本在1.0mV/km以上；有时还存在门限及各电极稳定性不同的影响，影响量可能达0.5mV/km左右。因此，表 2、表 3影响量计算结果存在0.2mV/km的误差是可能的。
4. 影响机理初步分析
4.1 不同测向之间同异性机理
表 4所示为部分磁静日日变清晰且无干扰的长、短极距日变幅，通过计算，NS、EW、EN45°向长、短极距之间日变幅的比值基本维持为0.89:1、0.86:1、1:1左右。与相应的高直影响量比值进行对比，剔除计算误差，二者较接近。根据李飞等（2017）对新沂台磁静日日变幅的研究可知，新沂台地电场不同测向的日变幅差异与测区极地下介质差异性及台站台址浅表层电性结构差异性关联较大，且与浅表、深层电阻率存在一定关联。这应是HVDC对新沂台地电场不同测向之间影响量产生同异性的原因。
表 4 地电场磁静日日变幅对比结果Table 4. The daily variation amplitude mean of geoelectric field on geomagnetic quiet日期 长极距NS
向/mV·km-1长极距EW
向/mV·km-1长极距NE45°
向/mV·km-1短极距NS
向/mV·km-1短极距EW
向/mV·km-1短极距NE45°
向/mV·km-12019年2月23日 6.4 4.1 3.5 7.4 4.6 3.5 2019年2月24日 9.1 4.9 4.5 10.4 6.2 4.5 2019年2月25日 8.6 5.0 4.3 9.6 6.3 4.3 2019年2月26日 5.8 2.9 3.1 6.3 3.7 3.0 4.2 不同线路影响的理论基础
赵畹君（2004）研究认为HVDC线路对地电场的影响主要源于HVDC线路及导线合成场和换流站接地极入地电流，HVDC线路合成场分布于整个三维空间，影响地电场2个电极间的电位差及变化情况。换流站接地极入地电流在大地中传播，当电流经过测量电极时，对电极之间的电位分布造成影响。
分析HVDC线路合成场对地电场的影响时应遵守毕奥-萨伐尔定律与楞次定律，分析入地电流对地电场的影响时应遵守电流连续定理。由毕奥-萨伐尔定律和楞次定律可知，在线路两侧产生的影响量与合成场的大小成正比，与线路到台站的距离成反比，且与线路到各测向的方位角有关，即垂直于电流方向的地电场2个电极之间产生的电位差最大，平行于电流方向的地电场2个电极之间产生的电位差最小。根据电流连续定理，在理想均匀介质状态下，可利用$E = \frac{{{I_{\rm{m}}}}}{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}\gamma {r^2}}}$(Im为入地电流的大小，γ为介质电导率）计算距离点电流源空间距离为r处的电场强度，可知HVDC对地电场观测的影响与入地电流成正比，与接地极到地电场测区距离的平方和传播区域电导率成反比。这表明传播区域电导率存在的差异性能造成影响量的不同。方炜等（2010）利用$E = \frac{{{I_{\rm{m}}}}}{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}\gamma {r^2}}}$对宝鸡、乾陵和周至3个台站进行计算，计算结果与实际观测资料较接近，验证了台站到接地极距离、电导率为影响地电场变化的因素。
4.3 不同线路影响同异性的机理分析
由图 1可知，8条HVDC线路走向、接地极与新沂台地电场空间位置不同，表 5所示为HVDC线路与接地极到新沂台地电场及与各测向间的空间关系相关参数，其中θ1表示各测向与台站到HVDC线路垂直线的夹角，θ2表示各测向与HVDC接地极到台站连线的夹角，θ1、θ2均用锐角表示。因此，根据理论基础，结合新沂台地电场布极方式、输电线路及接地极与台站的空间关系可判别出：①当输电线路及接地极与台站空间距离越近、入地电流（或漏电流）越大，影响量越大，反之越小，但并非线性关系。②当θ1、θ2为0°时，在该测向的附加电场为最大，随着角度的逐渐增大，其附加电场越来越小；当θ1、θ2增至90°时，在该测向上的附加电场为0。“—”表示台站到线路无垂直线，说明此线路对地电场无直接影响。③当HVDC线路距离测区越近时（一般小于100km），输电线路与台站各测向θ1的关系越密切，影响越明显。④当HVDC线路距离测区较远时（超过100km），接地极与台站各测向θ2的关系越密切。⑤垂直于地电场某一测向且分居此测向两侧的HVDC影响，当电流方向一致时，影响形态互为反向。⑥各测向幅值比的不同与θ1、θ2有较大关联。
表 5 HVDC线路走向与接地极到新沂台地电场的基本参数Table 5. The basic parameter of the trend of HVDC power lines and grounding electrode to geoelectric field at Xinyi station线路名称 线路及接地极与台站空间关系 θ1/° θ2/° NS向 EW向 NE45°向 NS向 EW向 NE45°向 昌宣线 稍存差异，同方向上 ＜45 ＞45 近90 近0 近90 近45 三常线 稍存差异，同方向上 近0 近90 ＜45 ＜45 ＞45 近90 上临线 有差异，同方向上 近0 近90 ＜45 ＜45 近90 ＜45 锡泰线 差异较大，不同方向上 近90 近00 ＜45 近45 近45 近90 哈郑线 无差异，同方向 — — — ＞45 ＜45 近0 晋南线 差异较大，不同方向上 ＞45 ＜45 近0 近0 近90 ＜45 宁东线 无差异，同方向上 ＜＜45 近90 近0 ＜45 ＞＞45 近0 扎青线 无差异，同方向上 — — — 近0 近90 ＜＜45 表 2、表 3各测向8条HVDC线路影响量、影响特征基本符合以上机理解释，但相互之间仍存在少许差异。通过本台地磁场FHD资料可知，当线路超过250km时，HVDC线路对FHD的影响基本识别不出。由图 1可知，8条HVDC线路中4条超过250km，其中哈郑线线路和接地极到新沂台最远，但影响量仍较明显；扎青线、晋南线、上临线均位于新沂台北侧，但影响量及影响特征各不相同，除与上述原因有关外，可能还受以下因素影响：①与马钦忠等(2014, 2016)的研究结果类似，存在“敏感点”效应；②与HVDC线路或接地极到新沂台之间地下介质的差异性有关。
根据马钦忠等(2014, 2016)的研究，沿着郯庐断裂带由北向南，距离信号源越远，地电流强度越弱，沿着信号源延伸较远的活断层台站能够记录到信号，距离较近的台站记录不到信号；HVDC对地电场的影响与大区域介质非均匀性、台站测区及附近地区介质细结构有关。施炜等（2003）对新沂台所处郯庐断裂带中段（北起莱州湾，南至安徽嘉山）的研究结果表明，此段不仅地质复杂，又分成3个亚段，且断裂带两侧存在差异性。此外，李飞等（2017）对新沂台地电场的研究结果表明，新沂台地电场测区内深、浅层电阻率的不同是影响地电场日变化的一个原因。由此说明，新沂台周边大区域介质存在非均匀性，这验证了传播区域电导率存在差异性，能造成影响量的不同。哈郑线接地极位于近EW向、被长期活动的基地深断裂控制的35°构造带上，东部与台站所处郯庐断裂带相连（谢洪波等，2003）。位于此构造带上的菏泽台和周口台资料显示，浅层电阻率维持为50Ω·m左右。扎青线接地极位于郯庐断裂带上，其南部、新沂台以北的陵阳台和马陵山台资料显示，浅层电阻率均为20Ω·m以下。傅良魁（1983）的研究结果表明，高电阻率具有向周围排斥电流的能力，电阻率越高，排斥能力越强；低电阻率具有向内部吸引电流的作用，电阻率越低，吸引力越强。这可能说明陵阳台和马陵山台之间存在电信号吸附区或信号盲区，可能是上临线影响弱于宁东线的一个原因，也说明新沂台向西更有利于地电流信号的传播。
因此，8条HVDC线路的影响不是某一因素造成的，是以上各种因素共同作用的结果。
5. 结论
虽然8条HVDC线路对新沂台地电场的影响形态与幅度不同，但通过对不同测向形态特征之间的相互关系、各测向影响量、幅值比进行综合分析，基本上可简便、快速地判断出具体的HVDC线路。此外，根据同场地新沂台FHD观测数据可知，8条HVDC线路中锡泰线、晋南线、上临线对FHD的影响明显。由于HVDC线路对FHD的影响仅与线路到台站的空间距离有关，新沂台FHD观测资料呈现出锡泰线影响最明显、晋南线次之、上临线相对较弱的现象。因此，结合本台FHD资料可更准确、容易判断出具体的HVDC线路。在日常工作中，对于如何排除HVDC对地电场的影响，应在明确高直干扰的情况下，可借鉴高直对地磁场影响的处理方法，先分成缓变与急变等不同类型，再分别进行去除台阶等影响，从而提高地电场资料的可用性。因此，结合HVDC线路对新沂台地电场影响机理的研究结果，得出以下结论：
（1）综合新沂台地电场不同测向形态特征之间的相互关系、影响量、幅值比可简便、快速判定出具体的HVDC线路，如能结合同台FHD资料，可进行更准确的判断。
（2）HVDC对地电场的影响与入地电流、线路及接地极到台站的距离、θ1与θ2、地下介质差异性等诸多因素有关，地电场长、短极距之间的差异性主要与长、短极距之间的地下介质差异性有关。
（3）8条HVDC线路对新沂台地电场的影响特征各具特点，存在明显的差异性，总体上入地电流越大，影响量越大；到台站的距离为100km以内，HVDC线路造成的空间影响越明显。当距离逐渐增大时，影响机理发生变化，接地极入地电流的影响逐渐占主导作用。各测向幅值比不同，与θ1、θ2具有很大关联性，θ1、θ2越小，影响量越大；近乎垂直，影响量越小或几乎无影响。影响量与到台站的距离、入地电流并非线性关系。
（4）哈郑线距离台站最远，其影响仍较明显，哈郑线和上临线的影响弱于宁东线，其影响机理是否如文中所述有待进一步考证。
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图 1 汶川地震秦堰楼屋顶瓦面破坏
Figure 1. Roof tile damage of Qinyan tower by the Wenchuan earthquake
图 2 汶川地震平武报恩寺山墙
Figure 2. Demage of masonry infilled wall of Baoen temple in Pingwu by the Wenchuan earthquake
图 3 汶川地震青龙寺大殿榫卯拔榫
Figure 3. Tenon pull out of Qinglong temple hall by the Wenchuan earthquake
图 5 2008年汶川地震前后的云岩寺窦真殿
Figure 5. Douzhen Hall of Yunyan temple before and after the Wenchuan earthquake in 2008
表 1 古建筑常见非结构构件分类
Table 1. Classification of typical non-structural members of ancient buildings
非结构构件类型 古建筑中的非结构构件 加速度敏感型 宝顶、博古架、鸱吻、蹲兽、垂兽、瓦当 位移敏感型 隔扇、窗、帘架、碧纱橱、落地罩、栏杆、雀替 混合敏感型
（加速度、位移）围护墙体、天花、藻井 
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