晋祠圣母殿是中国宋代建筑的代表作，为首批全国重点文物保护单位。在长期的环境影响下，圣母殿梁架及斗拱等关键构件已发生弱化或损坏，亟需高度关注。根据文物保护管理的新理念新要求，文物预防性保护越来越受到重视。围绕古代木构建筑，如何在构件需要进行修缮前识别并预防，避免结构存在重大安全隐患，成为开展预防性保护工作的关键。笔者主持的以晋祠圣母殿为研究对象的山西省文物局课题研究项目《晋祠圣母殿力学性能与防灾减灾研究》，针对圣母殿典型斗拱节点及局部梁架结构的力学性能开展了基础研究工作，对于指导圣母殿及同类型木结构的预防性保护具有借鉴意义，在此作简要介绍。

圣母殿木结构“三弱三强”的力学特征

弱连接，强变形  晋祠圣母殿柱脚平摆浮搁、梁柱榫卯连接均为柔性的弱连接，在水平外力作用下，柱脚易产生抬升，柱易倾斜，榫卯节点易转动而产生拔榫，柱架层的这些连接特征使其在水平荷载，如地震作用下产生明显的摇摆变形；斗拱层和屋顶层在水平荷载作用下近似平动，在较大的水平位移下，斗拱层和屋顶层各木构件间会产生少量的相互错动，但不影响斗拱的整体稳定性；得益于柱脚和榫卯的“弱”连接，实现了结构大变形而构件少破坏的结构特征。

弱耗能，强抗震 具有摇摆特性的圣母殿木结构表现出较强的变形能力及较弱的耗能能力，其滞回曲线呈旗型，结构有良好的变形自恢复能力；结构有较强的延性，并且在大变形情况下还有较好的承载能力；整体结构耗能量随水平位移和竖向荷载的增大而增大，评价结构耗能能力的等效粘滞阻尼系数在0.057-0.100之间。能量转化机制对圣母殿木结构抗震起关键作用，水平地震作用下，由于结构柱架层的摇摆导致屋顶产生竖向顶升，地震输入能量转化为重力，重力势能储存于木结构，极大地减小了木构件的损坏，这种能量转化机制是圣母殿结构抵抗多次地震，尤其是大震的重要原因，也是其耗能能力弱而抗震性能好的重要原因。

弱共振、强协同  圣母殿木结构各结构层具有不同的刚度，其中屋顶层和斗拱层刚度远大于柱架层，各结构层的自振频率也有较大的差异，在地震作用下，柱架层、斗拱层和屋顶层不会同时产生共振，因而可以很大程度上减弱结构的共振效应，降低整体结构的加速度、速度及位移响应。圣母殿局部梁架模型共振频率在1.0Hz-1.5Hz之间，此时结构响应最显著，而在高频激励下，木结构表现为高频晃动，振动幅值很小；晋祠圣母殿结构具有放大低频、阻隔高频振动的特征，结构同时具有现代结构中隔震结构和减震结构的特征，其中刚度较小的柱架层类似于一个隔震层，高频的振动很难传到上部结构，而斗拱层和屋顶层又类似于减震层，依靠众多构件的相互摩擦，起到摩擦减震的作用，这种各结构层的协同工作保证了结构具有较好的变形能力，又具有一定的耗能能力。

圣母殿预防性保护的思考

此次研究系统揭示了圣母殿木结构的承载特征，然而由于圣母殿木材年代及材种复杂多样，残损状况不同，导致材料劣化程度不一，需考虑到建筑节点种类多且受力特征各不相同。现就继续开展相关研究，提出如下思考。

圣母殿旧木构件力学性能的微观表征与结构安全评估  目前针对古建筑木结构力学性能多以未残损模型为研究对象，但古建筑木构件在长期环境和荷载作用下均存在不同程度损伤，直接用未残损模型的试验结果评估实际结构的承载能力是有误差的。然而古旧木材力学性能的确定很困难，通过取样进行木材力学性能测试不适应于本体结构，而无损检测技术在古建筑中的应用也有局限性。因此需要通过对不同劣化程度的古旧木材进行微观表征和力学性能测试，从而建立起木材元素含量、化学组成等因素与木材力学性能的关系，进而直接借助微观测试确定古旧木材宏观力学性能，在此基础上建立整体结构有限元模型，对木构件赋予实际残损状况下的力学参数，并进行不同工况下的力学计算分析，从而为结构现状安全评估提供科学支持。

圣母殿监测布点及监测预警值的确定 古建筑的日常监测是预防性保护的重要环节，监测的有效性取决于测点的布置与预警值的设置。通过对结构在实际残损状态下力学性能的评估，结合力学试验以及有限元模型的计算分析，其一可以确定木构件容易发生残损及变形的部位，其二可以确定该部位的形变阈值，从而明确监测布点的位置、监测设备的选用以及位置监测的预警值。当监测到某一部位变形及残损超过预警值，即需要迅速实施保护手段，防止构件进一步发生破坏而造成整体结构损毁的风险。

圣母殿关键构件及整体结构剩余寿命预测 古旧木构件、古建筑木结构的寿命一直是从事古建筑保护工作者的讨论热点，但目前尚没有安全可靠的方法预测木构件或结构的剩余寿命，而木材微观层面的分析测试为解决这一难题提供了可能。通过对不同年代、不同劣化程度的木构件进行微观表征研究，可以得到古旧木材元素含量、化学组成成分等随时间的变化规律，进而从微观层面预测木材进一步劣化的趋势，以达到预估木构件及木结构剩余寿命的目的。

古建筑旧木构件防护及改性  古建筑木结构的预防性保护，最关键的工作是防止或减缓木构件的进一步损伤或劣化。对古旧木材的微观表征，可以从根本上认识木材材性劣化的本质以及导致木材劣化的主要因素，如果能从微观层面限制其分子结构、组成元素或化学成分的进一步变化，就可以延缓或阻止其宏观层面的力学性能退化，而如果能改变其微观组成，甚至可能恢复木构件部分力学性能。此外，明确了影响木材劣化的主要因素，可以有针对性地采取保护措施或研发一些保护材料，进而明显提升预防性保护效果。

建立晋祠圣母殿残损及易损点信息库 围绕古建筑日常维护、重点修缮等预防性保护措施，有必要建立残损点及易损点信息库，从而确保修缮构件及修缮方法合理准确。通过调查圣母殿木构件的残损现状，以及残损状态下的典型木构件和节点的力学性能测试，结合圣母殿精细测绘，使用建筑信息模型（BIM）软件建立圣母殿残损及易损点信息库，确定建筑结构容易发生残损部位、残损成因、残损程度评级等信息。该信息库的建立能够为后续预防性保护工作的开展提供定性及定量的科学依据。

（作者单位：太原市文物保护研究院 太原市晋祠博物馆）