張 繼 紅

(深圳市恒義建筑技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518106)

我國(guó)磚石砌體除應(yīng)用于一些小體量的功能性建筑物(如照壁、圍墻等)外，還應(yīng)用于禮制建筑、宗教建筑，以及一些攻防工程(城墻、城門等)等[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，具有重要?dú)v史、文化和科學(xué)研究?jī)r(jià)值的文物建筑越來越受到人們的關(guān)注，文物的檢測(cè)鑒定與加固工作已越來越受到重視[2]。

1 工程概況

本次進(jìn)行檢測(cè)鑒定的歷史建筑城門坐北朝南、面闊5間20 m，進(jìn)深3間10 m。單檐四面坡式灰瓦頂，磚木結(jié)構(gòu)，抬梁式構(gòu)造，長(zhǎng)22 m、寬10.7 m的磚砌城臺(tái)上，下部辟拱門。1983年后，市政府將古城門列為重點(diǎn)文物保護(hù)單位，現(xiàn)已成為中外游人慕名而來的著名景點(diǎn)。2002年11月，該建筑被列為第四批省級(jí)重點(diǎn)文物保護(hù)單位。圖1，圖2分別為該建筑的外立面圖及平面圖。

為確保該歷史建筑結(jié)構(gòu)安全，掌握該結(jié)構(gòu)的安全性，業(yè)主委托要求按照《文物建筑中磚石結(jié)構(gòu)維修與加固技術(shù)規(guī)范》(征求意見稿)、GB 50292—2015民用建筑可靠性鑒定標(biāo)準(zhǔn)、GB 50068—2001建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)及其他有關(guān)規(guī)范要求，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性做出評(píng)定，提交鑒定報(bào)告，并提出相應(yīng)的加固處理意見和維修措施建議。

2 現(xiàn)場(chǎng)工作內(nèi)容

2.1 查閱圖紙資料

包括巖土工程勘察報(bào)告、設(shè)計(jì)計(jì)算書、設(shè)計(jì)變更記錄、施工圖、施工及施工變更記錄、竣工圖、竣工質(zhì)檢及包括隱蔽工程驗(yàn)收記錄的驗(yàn)收文件、定點(diǎn)觀測(cè)記錄、施工處理報(bào)告、維修記錄、歷次加固改造圖紙等[3]。

2.2 荷載作用及使用條件確定

確定荷載及作用的目的是為找出結(jié)構(gòu)受損傷的原因，以及挖掘結(jié)構(gòu)的承載潛力。主要包含如下幾個(gè)方面：

1)荷載調(diào)查確定：結(jié)構(gòu)自重、裝修自重；活荷載；雪荷載、風(fēng)荷載等。2)作用調(diào)查：基礎(chǔ)不均勻下沉；溫度；變形；侵蝕；地震作用等。3)使用情況調(diào)查：結(jié)構(gòu)防水、保護(hù)狀況；維護(hù)檢修的周期。

2.3 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢驗(yàn)

1)地基基礎(chǔ)調(diào)查：場(chǎng)地類別與地基土；地基變形；地基變形在上部結(jié)構(gòu)中的反應(yīng)(散水開裂情況調(diào)查、下部墻體裂縫檢驗(yàn))；其他因素(包括地下水抽降、地基浸水、水質(zhì)惡化、土壤腐蝕等)的影響或作用。

2)對(duì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的缺陷包括整體傾斜、局部鼓脹、酥裂、變形和裂縫等缺陷進(jìn)行詳細(xì)檢查等[3]。并根據(jù)損傷情況確定詳細(xì)探查位置、對(duì)破損情況進(jìn)行分級(jí)。對(duì)勾縫粉化、破損、開裂等缺陷進(jìn)行詳細(xì)檢查，查清缺陷部位范圍、尺寸等。并根據(jù)損傷情況確定詳細(xì)探查位置、對(duì)破損情況進(jìn)行分級(jí)。

3)對(duì)圍護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)狀檢驗(yàn)。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

3.1 結(jié)構(gòu)布置檢測(cè)

結(jié)構(gòu)布置檢測(cè)，主要包括結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)構(gòu)件平面布置、截面尺寸等。此項(xiàng)檢測(cè)除使用全站儀、尺子、激光測(cè)距儀外，還需對(duì)城樓墻體進(jìn)行鉆芯，以此得到墻體砌塊厚度。

3.2 現(xiàn)狀缺陷檢測(cè)

對(duì)城臺(tái)現(xiàn)狀缺陷進(jìn)行詳細(xì)勘測(cè)，對(duì)城臺(tái)外觀的裂縫、空鼓、酥堿和歪閃等缺陷進(jìn)行檢測(cè)，查清缺陷部位范圍、尺寸、裂縫深度、風(fēng)化深度等[4]。

3.3 城臺(tái)磚強(qiáng)度檢測(cè)

采用回彈法對(duì)城臺(tái)磚強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，并把鉆芯試樣做成標(biāo)準(zhǔn)試塊，送試驗(yàn)室進(jìn)行壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，綜合分析兩種試驗(yàn)結(jié)果，得出城臺(tái)磚實(shí)際強(qiáng)度。

3.4 灰漿強(qiáng)度檢測(cè)

采用貫入法對(duì)灰漿強(qiáng)度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，并作為推定抗壓強(qiáng)度的依據(jù)。

3.5 雷達(dá)測(cè)試

采用現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)測(cè)試，通過反應(yīng)波反映城墻的損傷情況和程度。雷達(dá)檢測(cè)項(xiàng)目主要如下：城臺(tái)內(nèi)部的介質(zhì)檢測(cè)、城臺(tái)磚的內(nèi)部破損檢測(cè)、城臺(tái)內(nèi)部土體空洞、松散程度的檢測(cè)定位。

3.6 內(nèi)填介質(zhì)檢測(cè)

在城臺(tái)頂部采用探坑對(duì)內(nèi)填介質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，并做成試樣送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，得出內(nèi)填介質(zhì)的物理特性。

3.7 其他

綜合上述檢驗(yàn)、檢測(cè)結(jié)果，如有必要還需對(duì)城臺(tái)基礎(chǔ)補(bǔ)充地勘、城臺(tái)墻體鉆芯取土、城臺(tái)監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

城墻及拱門由拱墩、拱圈、外墻和芯墻(土)四部分組成。拱圈為主要的受力構(gòu)件，利用拱結(jié)構(gòu)對(duì)材料受壓性能要求高，受拉和抗剪性能要求低等特點(diǎn)，在特定的年代為城門提供大跨度空間；兩端的墩臺(tái)為重力式結(jié)構(gòu)，依靠自身超強(qiáng)的抗傾覆和抗滑移保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體性；側(cè)墻和芯墻等組成城門的拱上結(jié)構(gòu)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該建筑下部城墻及拱門進(jìn)行了受力性能分析。該分析采用大型有限元軟件ABAQUS對(duì)下部城墻及拱門進(jìn)行了建模計(jì)算，分析了在城樓恒荷載和活荷載作用下，城門拱圈的承載力及穩(wěn)定性。

4.1 有限元計(jì)算單元類型的選取

本工程采用實(shí)體單元(Solid)模擬墻體，在單元?jiǎng)澐州^細(xì)時(shí)，使用三維8節(jié)點(diǎn)減縮積分單元(C3D8R)可以得到比較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，故本計(jì)算采用C3D8R單元。

在ABAQUS的CAE模塊，對(duì)城墻進(jìn)行建模模擬計(jì)算時(shí)，在對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)統(tǒng)一采用六面體單元，通過Mesh(網(wǎng)格)模塊來布置種子和劃分網(wǎng)格。本工程模型圖及網(wǎng)格劃分見圖3，圖4。

4.2 結(jié)果分析

1)從主壓應(yīng)力分布圖計(jì)算結(jié)果中可以看出，拱圈兩側(cè)墻體及拱頂上部是受力薄弱環(huán)節(jié)，保持受力拱圈的整體性和穩(wěn)定性，是實(shí)現(xiàn)建筑功能的前提。通過該模型的應(yīng)力云圖計(jì)算結(jié)果可知，在城墻拱頂下部等效應(yīng)力很小，因此，有必要采取有效措施防止該處側(cè)向墻體鼓出保持結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，拱圈底部?jī)蓚?cè)墻體壓應(yīng)力最大，最大壓應(yīng)力為0.17 MPa。

2)從拉應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果中可以看出，拱體兩側(cè)耳房上部承受拉力，最大拉應(yīng)力為0.14 MPa，小于砌體抗拉強(qiáng)度平均值0.15 MPa。拱體上部為拱圈最易損傷的部位，往往是最大負(fù)彎矩和拉應(yīng)力集中出現(xiàn)的部位，拉應(yīng)力區(qū)較大，模型也驗(yàn)證了上述結(jié)論的正確性。拱頂是受力不利部位，但城墻變形很小。

3)從城墻疊加的變形計(jì)算結(jié)果可以看出，拱體頂部相對(duì)變形較大，兩邊的耳房變形基本可以忽略。

4)從位移計(jì)算結(jié)果可以看出，拱體范圍位移較大，兩邊的耳房位移基本可以忽略。其中拱頂上部位移尤為明顯，但拱頂上部最大位移也不足3 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

主壓應(yīng)力計(jì)算分析結(jié)果顯示：結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力為0.17 MPa，小于砌體抗壓強(qiáng)度平均值1.07 MPa。拉應(yīng)力計(jì)算分析結(jié)果：拱圈上部主要承受拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力值很小，大部分均為0.002 9 MPa。城墻疊加計(jì)算分析結(jié)果：說明拱頂是受力不利部位，但城墻變形很小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全系數(shù)較大。結(jié)構(gòu)位移分析結(jié)果：拱頂上部位移尤為明顯，但拱頂上部最大位移也不足3 mm。綜上所述：城門整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，主體結(jié)構(gòu)安全，滿足受力要求。