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砖石木结构古建筑的安全检测与鉴定
添加时间:2019-11-12  

 

李泉

中建七局建筑装饰工程有限公司)

 

本文导读:古建筑在自然因素和人为因素的作用下,遭受到不同程度的损坏。能否科学合理的对古建筑进行修缮加固和保护工作,将直接取决于对古建筑安全检测与鉴定的全面性、准确性与科学性。以禹州市神垕镇“义兴公”商号门房为例,通过现场的损伤检测、抗震鉴定与损伤统计,最后利用模糊统计理论得出建筑的整体危险性综合评定。最终结论将直接指导商号门房的修缮加固工作,所采用的安全检测与鉴定方法将为今后相类似的砖石木结构古建筑的检测工作提供参考。

 

古建筑具有较高的历史价值、艺术价值和科学价值。根据现存古建筑的残损状况分析,古建筑损毁原因主要是年久失修自然损毁加上人们之前对于古建筑保护意识的淡薄导致大部分古建筑损坏。对于开展古建筑保护工作的首要任务就是进行科学合理的安全检测和鉴定工作,准确地评估损伤的规律和程度,及时采取有效处理措施,可以延缓结构损伤的进程,达到延长结构使用寿命的目的。郑建军等采用有限元软件对砖木结构建筑的性能进行了数值仿真分析,从中找出结构的薄弱部分,为结构检测提供依据。丁仕洪根据《民用建筑可靠性鉴定标准》对巢湖市李鸿章当铺做出可靠性评价并得出各房屋组成部分相对的安全等级。蔡乐刚对上海市金刚道场西大殿通过内力计算得出检测鉴定结论。王鑫等通过建立建筑物安全性评定体系,对承重系统中的上部结构和地基基础的安全性评价体系进行研究。张宏等通过工程实例,总结了长期服役的木结构建筑可能发生的残损现象及相应原因并介绍了木材强度检测和强度等级判定的方法。前人的研究大多是对木结构建筑各组成部分或者对结构材料强度进行检测,很少得出房屋的整体安全性评价,同时,对砖石木结构建筑研究较少。

1 工程概述

1.1 砖石木结构

传统石结构房屋自重大,延性差,不利于房屋抗震;砖砌体房屋变形能力和整体工作性差;木结构房屋易生虫腐蚀,不耐水火。神垕古镇老街房屋大多采用砖石木结构,房屋的屋架、柱采用木结构,墙体以及门、窗过梁采用砖或石。利用木柱与木屋架形成局部框架与墙混合承重的方式改善了传统房屋抗震性能差、房屋难以形成较大使用空间的缺点。利用砖、石墙作为维护结构,避免了木构件暴晒和雨淋的工作状况,提高了木构件的耐久性。

1.2 工程概况

神垕镇为第一批中国特色小镇,“义兴公”商号就位于禹州市神垕古镇老街路南,望嵩寨内,始建于明清时期。宅院坐南朝北,由门房、厢房、过厅和上房组成。商号以经营和烧制瓷器为主,是前店后寝、后院为窑厂的多宅二进四合院建筑群,现为省级文物保护单位。

“义兴公”商号门房,为青砖青瓦硬山抬梁式建筑。建筑物长16m,宽6.6m,建筑面积约为105.6m2。房屋四面墙体为下部料石与上部砖块共同砌筑,屋内墙体白灰抹面,房屋外部墙体均为清水墙,外观整洁(图1);房屋共有4榀梁架(图2),梁架一端由木柱支撑,另一端由墙体支撑;门、窗过梁采用木过梁和红石过梁(图3)。

 

      图 1 建筑立面                                              2 古建筑梁架结构

 

安全检测

2.1 抗震鉴定

“义兴公”商号门房属于原设计未考虑抗震设防的建筑,应进行抗震鉴定。根据《建筑工程抗震设防分类标准(GB 50223-2008)》,“义兴公”商号门房的抗震设防类别为丙类,抗震设防标准为标准设防类,其抗震鉴定方法根据《建筑抗震鉴定标准(GB 50023-2009)》应按照A类建筑进行。根据《建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)》规定,抗震设防烈度为6度时,对乙、丙、丁类的建筑可不进行地震作用计算。具体鉴定项目依据《古建筑木结构维护与加固技术规范(GB 50165-92)》进行。

 

 3 过梁

 经现场对“义兴公”商号门房的木结构部分、石砌部分以及砖砌部分进行检测。柁梁端部存在虫蛀、腐朽现象,瓜柱存在劈裂现象;木柱仅依靠穿枋与墙体间有一个方向的拉结固定;梁架间依靠水平系杆连接,缺少剪刀撑之类的竖向支撑,梁架间的整体性较差,抗震能力低;窗口木过梁端部支撑长度不足,柁梁以及檩条在墙体支撑处未设置垫板。石砌部分墙面平整,灰缝密实,不存在裂缝、酥碱以及歪闪现象。砖砌部分墙体整体平整,灰缝密实,无酥碱、歪闪现象,在檩条下方以及窗洞过梁下部墙体存在有裂缝。按照规范要求,该建筑不应采用硬山搁檩,需在山墙处设置端屋架,并且在墙体中应设置构造柱或墙体间采取可靠拉结措施。根据规范综合判定该建筑的综合抗震能力为不满足抗震措施鉴定要求,并不再进行抗震承载力验算,对房屋采取抗震加固措施。

2.2 残损状况及其原因

1)墙体

门房四面墙体下部均为料石砌筑,上部为青砖砌筑。墙体的残损点主要集中在木构件支撑处,房屋西山墙檩条下部青砖砌筑部分墙体出现局部受压劈裂(图4),临街墙体窗洞木过梁支撑处出现局部受压出现裂缝(图5)。

檩条作为重要的承重构件,对端部支撑处墙体产生较大作用力。由于当时未考虑抗震构造措施,未在檩条支撑处设置垫板,墙体局部应力集中造成墙体受压开裂现象。经现场测量,窗洞过梁端部支撑长度150mm,不满足规范要求的240mm,造成局部应力集中导致墙体开裂。

 

 4 墙体开裂                            5 墙体受压开裂                           6 瓜柱劈裂

2)木构件

木构件主要用在屋盖、屋架以及承重柱中。经现场检查,柁梁端部存在严重虫蛀和腐朽现象,瓜柱存在竖向贯通裂缝(图6)。

木材本身易被虫蛀、易腐朽,如果对木构件未采取防腐防虫措施,必然缩短其使用寿命。同时,木材是一种横纹抗拉能力较差的材料,横向变形未受约束的瓜柱,受压破坏的实质是横向膨胀受拉破坏。

2.3 安全鉴定

根据《危险房屋鉴定标准(JGJ 125-99)》[12]对“义兴公”商号门房进行安全性鉴定。鉴定过程中先对房屋各杆件进行普伤检测,然后根据杆件损伤状况计算出房屋各组成部分的危险性等级隶属度,最后再由房屋各组成部分的隶属度得出房屋综合鉴定等级。

2.3.1 结构杆件危险点

根据现场检测,地基基础部分与维护结构部分不存在危险点。承重结构部分,受压墙体沿受力方向产生缝宽大于2mm的竖向裂缝,支撑檩条端部的墙体因局部受压产生缝宽超过1mm的裂缝。木结构构件部分,柁梁端部存在较严重的虫蛀和腐朽现象,瓜柱存在贯通性裂缝。

2.3.2房屋各组成部分危险性鉴定

1 房屋各部分隶属度

 

根据结构杆件普伤检测与统计结果计算出房屋各部分隶属度,如表1所示。

地基基础部分的危险性鉴定等级为a级无危险点,承重结构部分的危险性鉴定等级为c级局部危险,维护结构部分的危险性鉴定等级为a级无危险点。

2.3.3房屋整体危险性鉴定

综合鉴定结果为C级,部分承重结构承载力不能满足正常使用要求,局部出现险情,构成局部危房。

古建筑建造中存在的缺陷

3.1 墙体部分

神垕古镇当地古建筑中,横纵墙体间未采取拉结措施,连接部位易受损,独立的墙体间不存在相互约束变形的能力,造成房屋的整体性和抗震能力差,所以墙体易出现裂缝、损坏和倒塌。

3.2 木结构部分

木屋架和木柱是古建筑中的主要受力构件。梁架的整体性以及梁架与木柱间连接的整体性将直接决定古建筑房屋上部结构的抗震能力和承载能力。在“义兴公”商号门房建筑中,梁架间仅依靠水平系杆连接,而未采取可靠的支撑或有效的替代措施来加强木构架空间的整体性。使用细长的水平系杆作为梁架平面外位移和变形的约束条件,水平系杆在受到压力作用后很容易发生压杆失稳现象,造成梁架的平面外失稳。与此同时,梁架间未采取竖向剪刀撑等有效的竖向支撑,整体性差,房屋受到任何的震动作用就有可能导致屋盖结构的受损。

3.3 加固建议

针对古建筑在建造中存在的缺陷进行加固时,必须遵守不改变文物原状的原则[13]。在对古建筑墙体中存在的缺陷进行加固时,可以采取替补加固和注浆加固的方法。为了加固未拉结的墙体,且保证不改变建筑物的外貌,可以在房屋外侧采用结构胶或高强度的砂浆对横纵墙体间无拉结存在的通缝进行注浆。而替补加固则可以从房屋内部进行,在无拉结的横纵墙交接处每隔一定高度向两侧剔凿半砖孔洞,然后将原规格尺寸的砌块填入,采用砂浆进行填补,横纵墙体间就通过砌块错缝搭接和注浆加固形成了墙体间的拉结。

对于解决梁架间未采取竖向剪刀撑等有效的竖向支撑问题时,可以采用扒钉加强梁架与檩条之间的拉结作用,通过檩条来加强梁架间的整体性,增强木结构部分的整体抗震能力。为了防止水平系杆在受到压力时发生压杆失稳现象,可以在水平系杆的中部增加支撑从而减小水平系杆的计算长度,保证水平系杆受到压力时不至于过早发生失稳破坏。

结束语

1)对古建筑进行全面、准确和科学的安全检测与鉴定是对古建筑文物进行合理修缮加固的关键工作。通过对“义兴公”商号门房进行安全检测与鉴定,为后续的古建筑修缮加固和保护工作提供了依据。

2)在检测工作进行过程中也发现了各种各样的问题,例如国家在对于古建筑安全检测与鉴定方面规范的不完善,目前没有成熟和系统的古建筑安全评价体系和方法。在古建筑检测过程中相应的无损检测技术问题也亟待解决。

3)神垕古镇老街古房屋大多采用梁架与木柱、墙体共同承重的方式,由于承重方式的特殊性和罕见性,这类房屋抗震性能以及力学性能的研究很少,需要进一步研究。

 

参考文献:

[1] 曹双寅,邱洪兴,王恒华.结构可靠性鉴定与加固技术[M].北京:中国水利水电出版社,2002.

[2] 郑建军,李科,朱彦鹏.砖木结构的检测实例以及有限元分析[J].建筑技术开发,2010,37(1):13-15.

[3] 丁仕洪.木结构古建筑的安全检测与鉴定[J].工程质量,2014,32(4):22-25.

[4] 蔡乐刚.上海木结构优秀历史建筑检测与鉴定[J].住宅科技,2011,31(10):29-33.

[5] 王鑫,张浩,高云.建筑物安全性评定体系的研究[J].工业安全与环保,2010,36(9):56-57.

[6] 张宏,陈志勇.哈尔滨市某校木屋盖结构的可靠性鉴定及加固改造[J].结构工程师,2010,26(4):107-113.

[7] 李金龙.识别中国古建筑[M].上海:上海书店出版社,2008.

[8] 中国建筑科学研究院.建筑工程抗震设防分类标准.GB 50223-2008 [S].北京:中国建筑工业出版社,2008.

[9] 中国建筑科学研究院.建筑抗震鉴定标准.GB 50023-2009 [S].北京:中国建筑工业出版社,2009.

[10]中国建筑科学研究院.建筑抗震设计规范.GB 50011-2010 [S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[11]四川省建筑科学研究院.古建筑木结构维护与加固技术规范.GB 50165-92[S].北京:中国建筑工业出版社,1993.

[12]重庆市土地房屋管理局.危险房屋鉴定标准.JGJ 125-99[S].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[13]中华人民共和国文物保护法[M].北京:中国法律出版社,2015.