北京鼓樓結(jié)構(gòu)安全檢測方法的探索與實踐

張紀(jì)平 丁燕 左艷杰 任鵬飛 楊永興 李雪瑩 孫淼

北京鼓樓始建于元代至元九年（即公元1272 年），當(dāng)時位于在大都城（即今北京）的中心，后毀于火，元成宗大德元年（公元1297 年）重建后又毀于火。明永樂十八年（公元1420 年）重建鼓樓，其位于都城南北中軸線的最北端，是中軸線遺產(chǎn)要素的重要組成部分。

古建筑結(jié)構(gòu)安全檢測方法依據(jù)古建筑結(jié)構(gòu)形式的不同存在多種方法。目前，建筑結(jié)構(gòu)檢測行業(yè)可以參考的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括2004 年版深圳地方標(biāo)準(zhǔn)《歷史遺留建筑物結(jié)構(gòu)安全性檢測與鑒定指南》、2005 年版上海地方標(biāo)準(zhǔn)《既有建筑物結(jié)構(gòu)檢測與評定標(biāo)準(zhǔn)》（DG/TJ08-804-2005）、2009 年北京地方標(biāo)準(zhǔn)《房屋結(jié)構(gòu)安全鑒定標(biāo)準(zhǔn)》（DB11/T637-2009）以及2011 年廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)《既有建筑物結(jié)構(gòu)安全性檢測鑒定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DBJ/T15-86-2011），檢測主要內(nèi)容可歸納為現(xiàn)場檢測、計算分析和鑒定評級三部分?？紤]到古建筑結(jié)構(gòu)的年久失修、多樣性和復(fù)雜性等特點，古建筑結(jié)構(gòu)安全檢測應(yīng)滿足多種方法綜合使用、無損性和文物建筑安全的基本要求，為更好地保護(hù)古建筑，迫切需要規(guī)范文物建筑檢測鑒定行業(yè)的工作內(nèi)容和工藝流程。

1.工程概況

北京鼓樓是一座單體木結(jié)構(gòu)建筑，坐北朝南，為三重檐滴水木結(jié)構(gòu)樓閣，樓身坐落在高約四米的磚石臺基上。鼓樓下層為城臺，城臺外顯面闊七間，進(jìn)深五間，內(nèi)部為拱券結(jié)構(gòu)。鼓樓二層四面均有六抹方格門窗，四周有廊，帶木護(hù)欄，望柱高1.55m。鼓樓三層為暗層，屋頂為灰筒瓦綠琉璃剪邊、重檐歇山頂。

自20 世紀(jì)80 年代，北京鼓樓經(jīng)歷四次保護(hù)修繕工作，最近一次修繕是在2009 年，距今已過11 年。目前，鼓樓的大木結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)局部明顯變形并牽連到相關(guān)木構(gòu)件，這種現(xiàn)象若持續(xù)惡化會造成安全隱患。如：檐柱沉降變形明顯，北部檐柱的沉降變形突出，四周外檐斗栱傾斜外翻，平坐隱蔽部位木結(jié)構(gòu)榫卯有松脫現(xiàn)象，首層屋檐局部變形，二層檐局部變形，屋面滲漏導(dǎo)致望板糟朽，三層（頂層）翼角出現(xiàn)局部變形。為驗證鼓樓整體結(jié)構(gòu)是否處于安全、穩(wěn)定狀態(tài)，故組織開展了鼓樓古建筑結(jié)構(gòu)的安全檢測工作，為后續(xù)修繕保護(hù)工作提供科學(xué)、全面的依據(jù)和技術(shù)支撐。

2.現(xiàn)場檢測

2.1 檢測技術(shù)路線

本次北京鼓樓古建筑結(jié)構(gòu)安全檢測工作采用現(xiàn)場檢測、實驗室試驗、數(shù)值模擬綜合分析的手法，以達(dá)到檢測目的，三項工作同時推進(jìn)、互為補(bǔ)充、互為驗證，流程如圖1 所示。

圖1 檢測工作流程

2.2 檢測方法

2.2.1 現(xiàn)狀測繪

現(xiàn)狀測繪工作以滿足古建筑結(jié)構(gòu)檢測為目標(biāo)。主要測繪內(nèi)容包括古建筑平立剖、建筑臺明水準(zhǔn)測量、城樓柱礎(chǔ)石和平座標(biāo)高測量、城臺墻面鼓脹測量、梁枋撓曲測量、立柱傾斜和扭曲測量以及采集屋面瓦件影像采集。主要采用了三維激光掃描技術(shù)、水準(zhǔn)測量技術(shù)和近景攝影測量技術(shù)等（圖2）。

圖2 城臺墻面傾斜測量

2.2.2 地基和基礎(chǔ)勘探

地基和基礎(chǔ)勘探采用了地質(zhì)雷達(dá)法、開挖探槽法和鉆孔勘察法。為了查明地基和基礎(chǔ)內(nèi)部填充物的密實程度，采用無損地質(zhì)雷達(dá)法；為查明城臺基礎(chǔ)埋深，采用開挖探槽法；為查明地層結(jié)構(gòu)，采用鉆孔勘察法，鉆孔過程中采取土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、重型動力觸探等原位測試。

地質(zhì)雷達(dá)探測是一種對地下或結(jié)構(gòu)物內(nèi)部不可見的目標(biāo)體或分界面進(jìn)行定位或判別的電磁波探測技術(shù)[2]（圖3-4）。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測原理示意圖

2.2.3 城臺砌體結(jié)構(gòu)調(diào)查

城臺臺面大城磚病害采用人工調(diào)查方式，先繪制臺面磚正投影像圖，整體編號，再分區(qū)域進(jìn)行調(diào)查，對病害種類、分布及面積進(jìn)行統(tǒng)計分析，并繪制臺面大城磚病害圖；分析檢測采用無損和微損檢測。本次檢測主要通過橡膠錘敲擊和外觀檢測等方法，調(diào)查城臺抹灰層的空鼓和開裂等缺陷的現(xiàn)狀，為城臺整體的安全性評價提供客觀依據(jù)。

2.2.4 城臺砌體結(jié)構(gòu)地質(zhì)雷達(dá)探測

圖4 地基和基礎(chǔ)地質(zhì)雷達(dá)探測成果圖

圖5 超聲波檢測與成果圖

砌體結(jié)構(gòu)內(nèi)部無損探傷主要采用地質(zhì)雷達(dá)探測方法。對城臺基礎(chǔ)、城樓室內(nèi)地面、平座和城墻墻面進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測。分別采用100MHz 和250MHz 封閉天線進(jìn)行對比測試，以查明城臺內(nèi)部病害分布情況及城臺地基基礎(chǔ)病害發(fā)育情況。

2.2.5 木構(gòu)件檢測

2.2.5.1 構(gòu)件裂縫分布檢測

以柱裂縫為例介紹裂縫分布檢測的步驟：首先，觀察柱身裂縫分布，選出較為顯著的裂縫，對其進(jìn)行編號，并貼上明顯標(biāo)識。然后，拍攝東、南、西、北四個方向的柱身整體照片。此做法主要是為了標(biāo)注裂縫在柱身的具體位置。接著，按照編號依次測量柱身裂縫的寬度和深度，并拍攝相應(yīng)圖片。最后，拍照記錄柱頭、柱腳的節(jié)點形式。

2.2.5.2 榫卯節(jié)點拔榫檢測

為獲取關(guān)鍵位置處梁柱榫卯節(jié)點的損傷情況信息，對榫卯節(jié)點變形情況進(jìn)行了測量，包括梁、卯口和榫頭的高、寬值，以及各個方向的榫卯間隙量和拔榫量。

2.2.6 大木結(jié)構(gòu)無損檢測

木構(gòu)件外部損傷的檢測，主要通過各種檢尺檢量其特征尺寸，記錄其損傷位置，確定損傷程度；木構(gòu)件內(nèi)部損傷的檢測，主要通過探傷儀器或設(shè)備確定內(nèi)部損傷類型、損傷位置及損傷程度。城樓木構(gòu)件材質(zhì)狀況勘察使用超聲波、應(yīng)力波以及阻抗儀等儀器或設(shè)備。

超聲波裂縫檢測：現(xiàn)場對20 根木柱的23 個側(cè)面表面病害進(jìn)行檢測，表面病害主要為裂縫，檢測參數(shù)為裂縫寬度及深度。

應(yīng)力波檢測：傳統(tǒng)的木材質(zhì)量檢測大多采用人工方法，甚至需要將木材試樣破壞后進(jìn)行檢測，檢測效率和精度不高。與其它無損檢測技術(shù)相比，應(yīng)力波無損檢測技術(shù)優(yōu)點突出，主要針對樹木內(nèi)部缺陷的無損檢測而設(shè)計，可以應(yīng)用到古建筑木質(zhì)結(jié)構(gòu)的健康檢測中。

應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的變化以波的方式傳播，稱為應(yīng)力波。應(yīng)力波是應(yīng)力和應(yīng)變擾動的傳播形式。在不破壞木材本身的前提下，使得木材產(chǎn)生應(yīng)力波并在木材內(nèi)部傳播，通過測定應(yīng)力波的時間，計算其傳播速度，來評估木材腐朽、計算木材彈性模量的方法。

應(yīng)力波法適用于構(gòu)件全截面腐朽檢測。木構(gòu)件的腐朽面積精確測量宜采用阻力儀相結(jié)合檢測方法，阻力儀法適用于距表面40mm 以上的深層腐朽檢測，最大檢測深度1000mm。

應(yīng)力波掃描斷面圖：通過檢測應(yīng)力波在木材內(nèi)部的傳播時間，經(jīng)波速計算并進(jìn)行矩陣變換和圖像重構(gòu)后，顯示的木材斷面二維彩色圖像。

區(qū)域顏色顯示[3]：（1）綠色表示木質(zhì)未腐損；（2）黃色表示木質(zhì)輕度腐損；（3）紅色表示木質(zhì)重度腐損。

圖6 應(yīng)力波檢測與成果圖

圖7 阻力儀檢測與成果圖

但是該圖像受諸多因素影響，故其顯示的缺陷大小存在一定的偏差。利用阻力儀對存在缺陷的木構(gòu)件進(jìn)行單路徑上缺陷長度的修正，可獲得更為準(zhǔn)確的缺陷面積。

阻力儀檢測：微鉆阻力儀法是使用阻力儀將直徑小于或等于1.5mm 的微型鉆頭鉆入木材內(nèi)部，根據(jù)鉆頭前進(jìn)時遇到的阻力，判斷木材的密度及內(nèi)部腐朽、開裂、節(jié)疤等缺陷的一種非破壞性檢測方法[4]。缺陷檢測結(jié)果采用相對值表示，即用腐朽木材的阻力值相對于為未腐朽木材阻力值變化的百分比表示。

2.2.7 材料強(qiáng)度現(xiàn)場檢測

2.2.7.1 磚強(qiáng)度檢測

磚強(qiáng)度檢測采用回彈法?；貜椃ㄊ遣捎镁哂幸欢▌幽艿闹劐N彈擊介質(zhì)表面，其動能將發(fā)生再分配，一部分能量以塑性變形或殘余變形的形式為介質(zhì)所吸收，而另一部分能量則反彈重錘。介質(zhì)表面越緊密，硬度越大，給予重錘的反彈能量就越大。只要能測得回彈值的大小，就可以進(jìn)一步確定介質(zhì)表面的緊密程度與強(qiáng)度大小。

2.2.7.2 砂漿強(qiáng)度檢測

砌筑用砂漿強(qiáng)度的現(xiàn)場檢測方法有兩種：回彈法和貫入法?；貜椃y砂漿強(qiáng)度的原理與砌筑用磚測試基本相似，貫入法通過測定撞擊探針貫入深度值來度量材料的硬度以表征材料抗壓強(qiáng)度。由于回彈法用于離散較大的砂漿材料時具有更大的偏差，而貫入法較回彈法更真實準(zhǔn)確地反映砂漿強(qiáng)度大小，數(shù)值更真實，因此鼓樓砌筑用砂漿采用貫入法對砂漿材料進(jìn)行強(qiáng)度測試。

3.結(jié)構(gòu)安全性數(shù)值分析

3.1 城臺結(jié)構(gòu)安全性數(shù)值分析

采用ABAQUS 有限元軟件對鼓樓城臺建立數(shù)值模型，首先進(jìn)行模態(tài)分析，并分別進(jìn)行靜力作用和動力作用（振型分解反應(yīng)譜方法、動力時程方法）和溫度場作用計算及分析，為城臺結(jié)構(gòu)的鑒定評級提供依據(jù)。

3.1.1 材料參數(shù)

在材料參數(shù)選取方面，用砌體來模擬城臺。由于鼓樓城臺尚未進(jìn)行鉆芯取樣，故進(jìn)行有限元模擬時，將城臺作為全磚砌體進(jìn)行計算。具體材料參數(shù)依據(jù)歷史檢測資料，選用在現(xiàn)場檢測校核后的檢測結(jié)果。

3.1.2 邊界條件

根據(jù)相關(guān)地質(zhì)雷達(dá)掃描報告結(jié)論，鼓樓城樓四周地面下無明顯空洞，因此在進(jìn)行有限元建模時，不考慮土—基礎(chǔ)—城臺相互作用，將城臺底部考慮成固接。

3.1.3 單元類型

采用C3D8 實體單元對城臺進(jìn)行模擬。

3.1.4 荷載、其它作用及其組合

依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB/50009-2012）和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB/50011-2010），荷載及其它作用取值如下：

（1）恒荷載：磚的重量密度按20kN/m3考慮；

（2）活荷載：取 3.5kN/m2；

（3）風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓的重現(xiàn)期為50 年，基本風(fēng)壓為 0.45 kN/m2；

（4）雪荷載：基本雪壓的重現(xiàn)期為50 年，基本雪壓為 0.40kN/m2；

（5）地震作用：北京抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度值為 0.20g，設(shè)計地震第一組。對于鼓樓工程，設(shè)防類別按甲類建筑，地震作用提高一度，即按9 度計算。對于動力時程分析，選取3 條地震波（兩條天然波和一條人工波），其中天然波為EL Centro波和天津波，人工波根據(jù)目標(biāo)反應(yīng)譜進(jìn)行擬合。

（6）溫度作用：考慮溫升和溫降兩種工況，即工況一：溫度從-20℃變化到54℃，工況二：溫度從54℃變化到-20℃。

（7）荷載組合：主要考慮以下荷載組合工況：

1.2 恒+1.4 活；

1.2 恒+1.4 風(fēng)；

1.2 恒+1.4×0.7 活+1.4×0.6 風(fēng)；

1.2 （恒+0.5 活）+1.3 水平地震。

綜合以上參數(shù)，建立數(shù)值模型。

3.1.5 計算分析

計算分析內(nèi)容包括模態(tài)分析、靜力計算分析、動力計算分析以及溫度作用計算分析。其中，動力計算采用兩種方法振型分解反應(yīng)譜法和動力時程法。振型分解反應(yīng)譜法：考慮材料的平均強(qiáng)度和最低強(qiáng)度，對城臺在8 度多遇地震、8 度罕遇地震、9 度多遇地震、9 度罕遇地震作用下進(jìn)行了剛度和承載力計算。動力時程法：選取EL-Centro 波、Kobe波和人工波，考慮材料的平均強(qiáng)度和最低強(qiáng)度，對城臺在八度多遇地震、八度罕遇地震、九度多遇地震、九度罕遇地震作用下進(jìn)行了動力時程分析。

3.2 城樓大木結(jié)構(gòu)安全性數(shù)值分析

鼓樓大木構(gòu)架分三個層次，即梁架層、斗拱層和柱額層。在靜力作用下，安全可靠，構(gòu)架設(shè)計符合力學(xué)原則和材料特性，設(shè)計構(gòu)思嚴(yán)密、巧妙，是古代解決大體量大空間建筑的范例，既是對傳統(tǒng)建筑的繼承和發(fā)展，也是對傳統(tǒng)建筑技術(shù)的重要貢獻(xiàn)。

城樓木結(jié)構(gòu)在長期使用過程中，不可避免地出現(xiàn)材料和構(gòu)件退化，現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)城樓木結(jié)構(gòu)的部分構(gòu)件和節(jié)點出現(xiàn)不同程度的殘損，構(gòu)件和結(jié)構(gòu)性能與建成初期存在難以預(yù)估的差別，這些都對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。與此同時，木結(jié)構(gòu)的材料、節(jié)點、構(gòu)件等離散性較大。有限元模型的可靠性是結(jié)構(gòu)整體安全性能準(zhǔn)確評估的基礎(chǔ)。但是，由于材料的退化，以及構(gòu)件和節(jié)點的復(fù)雜性，使得有限元分析中難以用簡易、精確的單元或節(jié)點模擬真實結(jié)構(gòu)，有限元模型常常與實際結(jié)構(gòu)有一定偏差。因此，基于有限元軟件ANSYS 分別建立城樓大木結(jié)構(gòu)的理想化有限元模型（簡稱理想模型）及可以反映其現(xiàn)狀的損傷有限元模型（簡稱損傷現(xiàn)狀模型）。

基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場勘察與數(shù)值計算結(jié)果，分別對城樓大木結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀模型及理想模型在自重、自重及風(fēng)荷載、地震作用下的有限元分析計算，給出各種工況和結(jié)構(gòu)狀態(tài)下的分析結(jié)果，并根據(jù)各類構(gòu)件對整體結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行重要性分類。

4.結(jié)構(gòu)安全性評估

4.1 城臺砌體結(jié)構(gòu)安全性評估

根據(jù)結(jié)構(gòu)有限元驗算和分析，北京鼓樓城臺及樓體砌筑結(jié)構(gòu)安全性評估分為兩級：第一級評估以宏觀控制和構(gòu)造鑒定為主進(jìn)行綜合評估；第二級評估以承載能力驗算為主結(jié)合構(gòu)造及損傷等影響進(jìn)行綜合評估。第二級評估標(biāo)準(zhǔn)的評級結(jié)果不得高于第一級評估的評級結(jié)果。第二級安全性評估，按地基基礎(chǔ)、上部承重結(jié)構(gòu)劃分為兩個分部結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行。地基基礎(chǔ)的第二級評估按照地基承載能力和基礎(chǔ)承載能力兩個項目評定，并取其中較低等級作為地基基礎(chǔ)分部結(jié)構(gòu)的安全性等級；其中，上部承重結(jié)構(gòu)的第二級評估按構(gòu)件安全性進(jìn)行評定。整體結(jié)構(gòu)的第二級安全評估，根據(jù)其地基基礎(chǔ)、上部承重結(jié)構(gòu)和圍護(hù)系統(tǒng)承重部分等的安全性等級，以及與整體建筑有關(guān)的其他安全問題進(jìn)行評定。

4.2 城樓大木結(jié)構(gòu)安全性評估

北京鼓樓城樓木結(jié)構(gòu)評級依據(jù)《古建筑結(jié)構(gòu)安全性鑒定技術(shù)規(guī)范（第1部分：木結(jié)構(gòu)）》（DB11/T 1190.1-2015）對樓體木結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒定評級。該規(guī)范規(guī)定了北京行政區(qū)域內(nèi)木結(jié)構(gòu)古建筑結(jié)構(gòu)安全性鑒定的基本規(guī)定、勘察、構(gòu)件安全性等級判定、子單元安全性等級判定和鑒定單元安全性等級判定。

5.結(jié)論

5.1 地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)成熟可靠

地基和基礎(chǔ)勘探采用的地質(zhì)雷達(dá)法相較于探槽和鉆孔這種區(qū)域受局限的傳統(tǒng)方法，對文物沒有任何損害，達(dá)到探測地基和基礎(chǔ)內(nèi)填充物是否均勻的目的，操作過程簡單，是現(xiàn)有的地基和基礎(chǔ)勘探最有效的方法之一，適用于古建筑地基和基礎(chǔ)探測調(diào)查。

古建筑墻體的砌體結(jié)構(gòu)無損探傷采用地質(zhì)雷達(dá)法，對墻體無任何損傷，測試結(jié)果能夠反映出城墻內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征和病害情況。

5.2 木構(gòu)件內(nèi)部損傷檢測手段多樣

古建筑立柱多為木材質(zhì)，表面明顯裂隙的深度檢測采用超聲波檢測，是一種比較適用的無損檢測方法。木質(zhì)立柱結(jié)構(gòu)內(nèi)部腐朽狀況，可采用應(yīng)力檢測和阻力儀檢測相結(jié)合的方法檢測得出。

5.3 有限元模型的可靠性是結(jié)構(gòu)整體安全性能準(zhǔn)確評估的基礎(chǔ)

由于古建筑材料的退化，以及構(gòu)件和節(jié)點的復(fù)雜性，有限元分析中難以用簡易、精確的單元或節(jié)點模擬真實結(jié)構(gòu)，有限元模型常常與實際結(jié)構(gòu)有一定偏差。應(yīng)基于有限元軟件分別建立結(jié)構(gòu)理想化有限元模型及可以反映其現(xiàn)狀的損傷有限元模型。

綜上所述，本文應(yīng)用的古建筑結(jié)構(gòu)檢測方法、檢測過程和檢測結(jié)果全面有效地完成了對北京鼓樓結(jié)構(gòu)的安全檢測，并通過有限元建模計算分析，對北京鼓樓結(jié)構(gòu)和構(gòu)件進(jìn)行了評級。實踐證明，本文所采用的古建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)是合理可行的，尤其適合這類磚石結(jié)構(gòu)古建筑。