磚木結(jié)構(gòu)低矮古建筑抗風(fēng)安全性鑒定分析

■ 陳佶豪 CHEN Jihao

0 引言

優(yōu)秀古建筑是文明的傳承，也是歷史的見證，因此，對(duì)優(yōu)秀古建筑的保護(hù)有重要意義。風(fēng)荷載不僅對(duì)高聳、大跨度結(jié)構(gòu)有控制作用，對(duì)低矮古建筑的安全性也會(huì)產(chǎn)生不利影響。在古建筑的房屋檢測(cè)鑒定中，我們需要對(duì)受檢建筑的抗風(fēng)薄弱部位給予足夠重視。

1 古建筑的結(jié)構(gòu)體系概述

磚砌體和木材是中國(guó)古建筑的主要建筑材料。古建筑中，對(duì)于建筑設(shè)置在周測(cè)的外墻及承重隔墻普遍采用砌體結(jié)構(gòu)，在兼顧建筑抗風(fēng)、防火功能的同時(shí),肩負(fù)著豎向承重及提高整體結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的使命。對(duì)于廟宇殿堂、宴會(huì)大廳等大空間區(qū)域，一般設(shè)置于房屋正中，以木結(jié)構(gòu)為受力骨架且常常飾以木刻雕花（圖1）。根據(jù)不同建筑空間的需求，木結(jié)構(gòu)布置方法又可分為抬梁式、穿斗式、井干式木構(gòu)架。

圖1 木結(jié)構(gòu)構(gòu)件飾以雕花

此外，屋蓋也是古建筑的重要組成部分，通過斜率為25～30°間的坡屋面組合，形成雙坡屋頂、四坡屋頂、歇山屋頂及廡殿屋頂?shù)炔煌煨停⒊Ｔ谖菁固幉贾梦谦F雕塑（圖2）。屋蓋不僅是房屋外形的點(diǎn)睛之筆，同時(shí)也彰顯著房屋主人的身份地位。

古建筑的豎向荷載主要由屋面或樓面通過木檁或木梁傳遞給中部的木結(jié)構(gòu)，最終通過木柱將豎向荷載傳給基礎(chǔ)；古建筑的水平荷載（風(fēng)荷載等）一般由隔墻或屋面通過樓板或木結(jié)構(gòu)將水平荷載傳遞給周側(cè)的砌體外墻，最終通過砌體墻將水平荷載傳遞給場(chǎng)地地坪。

由于其建筑功能的精美和結(jié)構(gòu)構(gòu)造的重要性，優(yōu)秀古建筑的建筑屋面及木結(jié)構(gòu)往往是建筑的重點(diǎn)保護(hù)部位。因此，在古建筑房屋檢測(cè)、保護(hù)的過程中，相應(yīng)結(jié)構(gòu)、建筑構(gòu)件的重要性不言而喻。

2 古建筑的房屋檢測(cè)

古建筑的房屋檢測(cè)鑒定工作責(zé)任重大。為了能更好地保護(hù)古建筑,并對(duì)其修繕維護(hù)工作提供針對(duì)性的方向及科學(xué)依據(jù)，本文將結(jié)合某典型文物古建筑工程實(shí)例，對(duì)磚木結(jié)構(gòu)低矮古建筑，尤其是其重點(diǎn)保護(hù)部位（屋面及木構(gòu)架）的安全性鑒定進(jìn)行分析。

該文物古建筑始建于清代，舊時(shí)為土地廟，曾遭日軍炮火襲擊，于民國(guó)時(shí)期敗落，房屋整體損傷嚴(yán)重（圖3）。土地廟正殿坐北朝南，正脊端部裝飾帶廟宇特征。房屋外圍承重結(jié)構(gòu)采用磚砌體墻，正殿正中通過兩榀抬梁式木構(gòu)架營(yíng)造建筑大空間；正殿東西兩側(cè)各采用一榀穿斗式木構(gòu)架與配房進(jìn)行分隔，并以100 mm厚黏土青磚墻填充，局部開門洞。圓木檁條擱在四榀木構(gòu)架上形成屋面主結(jié)構(gòu)上，檁條上設(shè)木椽并依次鋪望磚、油氈、小青瓦，形成硬山式屋頂，坡屋面高度為3.25～6.3 m（圖4、5）。

在房屋安全性檢測(cè)中，為了對(duì)古建筑的損壞情況有一個(gè)初步判斷，首先應(yīng)對(duì)受檢古建筑進(jìn)行完損檢測(cè)，并重點(diǎn)檢查其重點(diǎn)保護(hù)部位。古建筑檢測(cè)中除了需要對(duì)主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損壞及缺陷密切關(guān)注外，也需要對(duì)建筑做法、結(jié)構(gòu)構(gòu)造進(jìn)行仔細(xì)復(fù)核，并對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的記錄與分析。

古建筑由于年代久遠(yuǎn)，資料不全。因此，房屋檢測(cè)應(yīng)對(duì)古建筑進(jìn)行建筑、結(jié)構(gòu)的測(cè)繪，得到建筑主要構(gòu)件的尺寸及定位，為后續(xù)鑒定、修繕及保護(hù)等工作提供必要的資料；此外，還應(yīng)對(duì)整體房屋及主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的傾斜、撓度進(jìn)行測(cè)量并記錄。在本次土地廟的測(cè)繪工作中，為了獲取更為詳細(xì)、全面的房屋尺寸及變形信息，特采用了三維掃描技術(shù)對(duì)土地廟重要的正殿區(qū)域進(jìn)行測(cè)量并繪制結(jié)果（圖6）。

為了科學(xué)的評(píng)價(jià)房屋的安全性，對(duì)古建筑的主要結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行材性鑒定及檢測(cè)。檢測(cè)過程中應(yīng)該盡量使用無損檢測(cè)技術(shù)，以保證古建筑的完好和原真性。

根據(jù)房屋測(cè)繪圖紙、結(jié)構(gòu)材性檢測(cè)結(jié)果及相關(guān)變形數(shù)據(jù)，并結(jié)合房屋的完損檢測(cè)結(jié)果，可開展下一步房屋安全性鑒定的工作，本文主要對(duì)古建筑抗風(fēng)安全性鑒定展開論述。

圖2 屋脊飾以吻獸雕塑

圖3 某文物古建筑內(nèi)景

圖4 古建筑平面圖

圖5 抬梁式木構(gòu)架結(jié)構(gòu)立面圖

圖6 三維掃描分析圖

3 古建筑的抗風(fēng)安全性鑒定

鑒定分析采用房屋實(shí)測(cè)的構(gòu)件定位及材料強(qiáng)度，其中,對(duì)于古建筑中干縮開裂的木結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度及彈性模量,結(jié)合《既有建筑物結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ 08—804—2005）第4.9.5條進(jìn)行相應(yīng)折減，保證后續(xù)鑒定的可靠性。一般情況下，在整體鑒定分析中,應(yīng)考慮主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形、傾斜等幾何不利條件；在構(gòu)件的承載力驗(yàn)算中，應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)所發(fā)現(xiàn)的構(gòu)件局部缺陷等材料、截面不利因素。

對(duì)受檢房屋主要荷載進(jìn)行取值，其中：屋面恒載1.3 kN/m2，屋面活載0.5 kN/m2，雪荷載0.2 kN/m2，基本風(fēng)壓取值0.55 kN/m2；對(duì)于風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，除了和基本風(fēng)壓有關(guān)外，還與風(fēng)壓高度、風(fēng)荷載體型系數(shù)及風(fēng)振或陣風(fēng)效應(yīng)有直接關(guān)系。

根據(jù)受檢古建筑周邊的實(shí)際建筑地貌取地面粗糙度C類，對(duì)應(yīng)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）（以下簡(jiǎn)稱《荷載規(guī)范》）中的表8.2.1，取風(fēng)壓高度變化系數(shù)為0.65，且由于高度較低取風(fēng)振系數(shù)為1.0；同時(shí)，按受檢古建筑整體實(shí)際外立面形狀，對(duì)該文物古建筑整體房屋較為不利的橫風(fēng)向工況下風(fēng)荷載體型系數(shù)典型取值如圖7所示。

根據(jù)相關(guān)專家評(píng)審意見，該屋面望磚做法有一定的歷史價(jià)值，且為此古建筑坡屋面做法的重要組成部分，屬于重點(diǎn)保護(hù)部位。但在風(fēng)荷載作用下，望磚對(duì)于屋面整體性的貢獻(xiàn)較差，無法將較柔的木構(gòu)架和較剛的砌體墻有效結(jié)合并協(xié)調(diào)工作。因此，風(fēng)荷載無法直接、有效地傳遞給砌體結(jié)構(gòu)，從而在抗側(cè)承載力較為薄弱的木構(gòu)架中形成應(yīng)力集中。

風(fēng)荷載是空氣對(duì)流造成的。氣體在流動(dòng)的過程中遇到障礙物會(huì)產(chǎn)生渦流，這種渦流會(huì)對(duì)建筑的局部產(chǎn)生較大的壓力或吸力。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)及分析，盡管常規(guī)古建筑外形較為規(guī)則、簡(jiǎn)潔，但其不同區(qū)域風(fēng)荷載響應(yīng)差別仍然較大。通過相關(guān)研究[1]對(duì)不同坡度屋面風(fēng)壓系數(shù)分布的描述（圖8）可知，僅考慮整體建筑風(fēng)荷載體型系數(shù)，可能無法真實(shí)反映局部木構(gòu)架的最不利情況?？紤]到房屋室內(nèi)有空氣對(duì)流條件且氣流可以從任意方向吹來，鑒定中分別考慮鼓風(fēng)效應(yīng)及吸風(fēng)效應(yīng)，與室內(nèi)外風(fēng)壓系數(shù)分別組合并取包絡(luò)值進(jìn)行鑒定分析。按《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》（GB 51022—2015）中的表4.2.2對(duì)其建筑坡屋面木屋架的橫風(fēng)向局部風(fēng)荷載體型系數(shù)進(jìn)行取值（圖9），此時(shí)陣風(fēng)系數(shù)取值1.1。

圖7 整體建筑橫風(fēng)向風(fēng)荷載體型系數(shù)取值

圖8 不同坡度屋面的風(fēng)壓系數(shù)分布

圖9 木屋架橫風(fēng)向局部風(fēng)荷載體型系數(shù)取值

對(duì)于木檁條，由于單構(gòu)件受風(fēng)面積較小，在屋面風(fēng)壓系數(shù)較大的位置更容易出現(xiàn)風(fēng)荷載作用下應(yīng)力集中的情況。根據(jù)《荷載規(guī)范》中第8.3.3條及第8.3.5條，對(duì)受檢文物古建筑最不利木檁條取外部局部體型系數(shù)為：風(fēng)吸工況下-1.5，風(fēng)壓工況下+0.7；同時(shí)，考慮受檢房屋室內(nèi)有空氣對(duì)流條件，根據(jù)其外表面風(fēng)壓正負(fù)情況，按最不利取內(nèi)部局部壓力系數(shù)±0.2進(jìn)行疊加計(jì)算。考慮到檁條不屬于直接承受風(fēng)荷載的構(gòu)件，故根據(jù)《荷載規(guī)范》相應(yīng)進(jìn)行受風(fēng)面積的系數(shù)折減，此時(shí)陣風(fēng)系數(shù)取值2.05。

根據(jù)以上參數(shù)及荷載取值，對(duì)受檢房屋典型的抬梁式木構(gòu)架在較為不利的橫風(fēng)向作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析對(duì)比（圖10）。

按計(jì)算分析所得的構(gòu)件內(nèi)力，根據(jù)《近現(xiàn)代歷史建筑結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估導(dǎo)則》（WW/T 0048—2014）第5.3.3條，對(duì)基本組合的系數(shù)進(jìn)行取值，并分別整理成兩種對(duì)比工況。古建筑坡屋面一般是不上人屋面,其屋面活載不需要與風(fēng)荷載同時(shí)考慮組合。

圖10 抬梁式木構(gòu)架典型構(gòu)件編號(hào)

表1 基本組合荷載工況

表1中，工況B為兩種基本組合工況的包絡(luò)值，分別考慮按房屋整體風(fēng)荷載體型系數(shù)（風(fēng)體型系數(shù)取值見圖7）影響下的計(jì)算結(jié)果，以及按房屋局部風(fēng)荷載體型系數(shù)考慮（木構(gòu)架風(fēng)體型系數(shù)取值見圖9，木檁條計(jì)算取值見本文相關(guān)描述）影響下的計(jì)算結(jié)果。分別就工況A與工況B的計(jì)算結(jié)果比值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并對(duì)比，其中，相關(guān)典型構(gòu)件彎矩和軸力分析結(jié)果對(duì)比見表2、3；同時(shí)，分別根據(jù)各構(gòu)件的受力情況，按拉彎或壓彎構(gòu)件進(jìn)行承載力驗(yàn)算，并統(tǒng)計(jì)各構(gòu)件應(yīng)力比（表4）。

對(duì)比表2、3中數(shù)據(jù)可知，風(fēng)荷載對(duì)部分構(gòu)件內(nèi)力影響較大（如木梁1及木柱2），甚至有時(shí)會(huì)影響最終的鑒定分析結(jié)果。由表4可知，受檢房屋木檁條嚴(yán)重不滿足安全性要求，木梁1略微不滿足安全性要求，且其控制工況均為風(fēng)荷載參與的基本組合。

根據(jù)檢測(cè)及鑒定結(jié)果可知，雖然受檢古建筑僅有1層且層高較小，屋面做法自重（屋面自重1.3 kN/m2）也明顯大于一般的輕型屋面（一般輕型屋面自重≤0.8 kN/m2），但由于其水平荷載無法通過屋面進(jìn)行有效傳遞，風(fēng)荷載內(nèi)力基本組合會(huì)成為部分木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的控制工況。經(jīng)復(fù)核，局部不滿足風(fēng)荷載組合工況的木梁1為主要承重及框架抗側(cè)構(gòu)件，其一旦破壞，將可能引起整體木結(jié)構(gòu)體系的連續(xù)損壞甚至倒塌。

表2 典型構(gòu)件彎矩比值

表3 典型構(gòu)件軸力比值

表4 典型構(gòu)件應(yīng)力比

進(jìn)一步分析可知，風(fēng)荷載影響比較明顯的主要構(gòu)件主要是承受豎向荷載較小且對(duì)水平荷載比較敏感的抗側(cè)力構(gòu)件；此外，由局部風(fēng)壓分布集中造成的風(fēng)荷載響應(yīng)會(huì)控制相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鑒定計(jì)算結(jié)果。

4 結(jié)語

屋面及木構(gòu)架結(jié)構(gòu)通常是優(yōu)秀古建筑的重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象。在低矮磚木結(jié)構(gòu)古建筑的房屋檢測(cè)鑒定中，簡(jiǎn)單地僅憑經(jīng)驗(yàn)而忽視風(fēng)荷載的作用，有時(shí)會(huì)影響相應(yīng)木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的鑒定結(jié)果，從而造成疏漏與隱患，不利于古建筑的保護(hù)工作。

在房屋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的安全性檢測(cè)鑒定中，我們應(yīng)該在完損檢測(cè)階段仔細(xì)復(fù)核水平抗側(cè)力體系的傳力路徑，以及結(jié)構(gòu)是否存在構(gòu)造缺陷；在分析鑒定階段，既要計(jì)算房屋整體的風(fēng)荷載響應(yīng)、也要考慮局部風(fēng)壓引起的應(yīng)力集中，從而保證受檢房屋可以安全地接受使用年限內(nèi)一系列風(fēng)荷載的考驗(yàn)。此外，對(duì)于古建筑的檢測(cè)鑒定，還需要注意屋脊、女兒墻及大懸挑木椽或類似局部風(fēng)荷載體型系數(shù)較大的建筑做法，其精美的建筑外型背后往往會(huì)造成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件甚至是整體結(jié)構(gòu)體系的承載力負(fù)擔(dān)。

對(duì)于結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件抗風(fēng)安全性存在隱患的優(yōu)秀古建筑，在后續(xù)的修繕過程中，需遵循不改變文物原狀的原則。建議對(duì)具有安全隱患木構(gòu)件的既有相鄰砌體墻，采用加強(qiáng)抗側(cè)剛度的加固方法進(jìn)行修繕；若有必要，也可對(duì)相應(yīng)木結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)相應(yīng)加強(qiáng)。這種改變傳力途徑，減少木構(gòu)架水平荷載作用的加固方法，可以最大限度地保證文物建筑重點(diǎn)保護(hù)部位的原真性。