太原市永祚寺無梁殿磚砌體材料特性及結(jié)構(gòu)靜力性能研究

李晉芳 王星毅 韓鵬舉 王崇恩 梁月林

［1.太原市雙塔博物館，山西 太原 030045；2.太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山西 太原 030024；3.太原理工大學(xué)建筑學(xué)院，山西 太原 030024；4.未名紫宸（山西）文化博物科技有限公司，山西 太原 030032］

仿木建筑在我國分布廣泛，其中磚砌體無梁殿是分布較為廣泛的一類仿木建筑，這類建筑一般由一座或數(shù)座筒拱縱聯(lián)、并聯(lián)和交叉組成，不設(shè)置梁構(gòu)件。建筑采用青磚和石灰灰漿砌筑，整體結(jié)構(gòu)不適用木材，因此這種形制的建筑防火性能優(yōu)越。太原市永祚寺無梁殿是其中一個(gè)典型案例①，它始建于1599年，并于明清時(shí)期經(jīng)過多次續(xù)建山門和禪堂，最終形成了太原市永祚寺現(xiàn)在的規(guī)模。大雄寶殿、三圣閣、東客堂、西禪堂是其主要建筑，均為明代保存至今的、完整的無梁建筑，外觀全仿木結(jié)構(gòu)而制，雕工精湛，殿內(nèi)全為磚券，明、次三間為南北券棋，飛架前后墻際，兩稍間則與中間相悖，改為東西券棋，架在隔墻與山墻之上，由于技藝高超，券弧跨度大，為殿內(nèi)增加了空間②。這種磚砌建筑技術(shù)，是明代殿堂建筑中新出現(xiàn)的營造特征，為太原市永祚寺無梁殿打上了具有鮮明時(shí)代風(fēng)格的歷史印記，在我國建筑發(fā)展史上占有顯著的位置，具有重要的科學(xué)價(jià)值。而歷經(jīng)四百余年的風(fēng)吹雨打，無梁殿建筑群雖然基本保存完好，但是由于自然原因以及其本身材質(zhì)的特性，建筑部分的病害正在逐步顯現(xiàn)出來。

而目前國內(nèi)對于無梁殿這種類型的古建筑的研究范圍較窄，一些專家和學(xué)者此前較為關(guān)注的是無梁殿的建筑形式的類型和特征等建筑學(xué)領(lǐng)域的研究。王雪芹③對江蘇省代表性的無梁殿建筑，從建筑學(xué)的角度，對建筑的年代歷史、保存現(xiàn)狀、形制文化等方面進(jìn)行了深入的研究；趙婧④總結(jié)了10余座保存完好的無梁殿建筑，認(rèn)為無梁殿建筑在佛教文化、吉祥文化和圖碑文化上頗有造詣；劉娟⑤對我國傳統(tǒng)建筑營造技術(shù)中的磚瓦材料進(jìn)行了調(diào)研和分類，得到了無梁殿產(chǎn)生的條件和背景；過云靈⑥走訪考察了北京地區(qū)的無梁殿建筑，對其建筑特征進(jìn)行了總結(jié)，按照各自特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，對“無梁殿”的統(tǒng)籌范圍做出了明確的界定。另外，也有一些研究關(guān)注到古建筑中拱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能方面，淳慶等⑦通過ANSYS有限元模擬分析軟件對明代石拱橋襟湖橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)性能分析，提出了明代石拱橋的保護(hù)修繕方法，為同類型石拱橋的加固提供了參考。趙守江和戴君武⑧通過有限元法和傳統(tǒng)橋涵設(shè)計(jì)方法對故宮西華門磚拱券進(jìn)行了結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，認(rèn)為有限元法計(jì)算結(jié)果更合理。淳慶等⑨通過有限元軟件對太原市永祚寺無梁殿大雄寶殿進(jìn)行了受力性能模擬分析，得到了該建筑在靜力荷載作用下的結(jié)構(gòu)性能，為明代磚砌體無梁殿的加固修繕提供了參考。

另外對于磚石結(jié)構(gòu)，倪浩冉等⑩對光岳樓進(jìn)行了一系列調(diào)研，并對其磚石結(jié)構(gòu)損傷程度進(jìn)行了檢測鑒定，提出了一系列磚石結(jié)構(gòu)的保護(hù)措施，認(rèn)為應(yīng)該以“預(yù)防性保護(hù)”代替“被動(dòng)式保護(hù)”；李斌?對明清時(shí)期山西不同地區(qū)的古磚原構(gòu)件進(jìn)行了外觀尺寸、體積密度、抗折、抗壓強(qiáng)度和微觀孔隙分布和特性進(jìn)行了研究，為山西古建筑修繕提供了具有區(qū)域針對性的數(shù)據(jù)支持；孔德榮?以佛山水上關(guān)帝廟復(fù)建工程為例，結(jié)合磚石構(gòu)造古建筑特點(diǎn)，認(rèn)為復(fù)建修建過程中需要使用與舊建筑類似的建材，最好采用加工后的舊青磚，以保證復(fù)建修繕效果；黃文錚和鄭力鵬?對廣東珠江三角洲地區(qū)古建筑的舊青磚進(jìn)行了回彈測試和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，建立了古代舊青磚專用的測強(qiáng)曲線。趙鵬?考察了嘉善和蘇州等青磚瓦生產(chǎn)地，在凍融、鹽腐蝕和壓力荷載共同作用的復(fù)合工況下，分別測試了青磚的質(zhì)量損失率，總結(jié)歸納了自然環(huán)境下青磚損傷劣化規(guī)律，得到了青磚壽命預(yù)測模型。

綜上所述，目前在古建筑修繕保護(hù)中，針對無梁殿的研究主要側(cè)重于建筑學(xué)和建造技術(shù)方面，雖然存在一些對建筑遺產(chǎn)的結(jié)構(gòu)受力性能和穩(wěn)定性能的研究和分析，但是對于磚砌體無梁殿的建筑材料和建筑結(jié)構(gòu)技術(shù)方面的研究較少，而作為無梁殿中最主要的建筑材料，磚砌體材料的材料特性及其力學(xué)性能是由多種元素所決定的。對于磚砌體來講，黏土作為其主要原材料之一，不同地區(qū)成分變化較大，由其燒制出來的磚砌體的特性存在較大的地域區(qū)別。本文以太原市永祚寺無梁殿為例，對其所使用的磚砌體材料，通過X射線熒光光譜分析（XRF）和X射線衍射試驗(yàn)（XRD）現(xiàn)代分析檢測手段，對其化學(xué)成分組成和礦物組成分析，為指導(dǎo)生產(chǎn)與永祚寺無梁殿相匹配的仿古磚砌體提供參考和科學(xué)依據(jù)。另外，通過Abaqus有限元分析軟件對其主要建筑物進(jìn)行靜力荷載作用下的結(jié)構(gòu)性能分析，綜合分析其安全性能，本文結(jié)果可供該類建筑的保護(hù)修繕和永祚寺無梁殿數(shù)字化健康評估體系的建立提供參考。

1 試驗(yàn)原材料及方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所涉及的磚砌體構(gòu)件均經(jīng)過太原市雙塔寺文物管理所批準(zhǔn)授權(quán)采集，取自太原市永祚寺無梁殿三進(jìn)院，采集過程滿足國家文物局和太原市文物局對于古建筑保護(hù)修繕的最小干預(yù)原則、真實(shí)性原則、完整性原則和全面性原則。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 XRF試驗(yàn)

試驗(yàn)采用壓片法制成玻璃樣品，具體方法如下：將灰漿和磚砌塊試樣研磨至200目以上，即粒度小于0.074mm，采用鋁盒作為樣品模具，使用硼酸作為黏結(jié)劑，以聚酯環(huán)鑲邊，采用北京眾合創(chuàng)業(yè)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的ZHY401B型壓片壓力機(jī)壓制直徑15mm、厚度5mm的測試樣片。通過賽默飛世爾科技公司ThermoARLperformx型X射線熒光光譜儀進(jìn)行測試，儀器靈敏度為0.0001%。

1.2.2 XRD試驗(yàn)

去除磚塊表面劣化層并破碎成小塊，將其磨細(xì)至通過0.075mm的方孔篩，通過日本島津LabX XRD-6000 X射線衍射儀，采用銅靶，管電壓為40kV，管電流為40mA，掃描范圍為20°～80°。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磚砌體材料特性分析

2.1.1 XRF測試結(jié)果分析

X射線熒光光譜分析（XRF）是一種用于測定材料中元素組成的無損分析技術(shù)。通過入射X射線激發(fā)被測樣品，受激發(fā)的樣品中的每一種元素會(huì)放射出二次X射線，通過測試不同的元素所放射出的二次X射線的能量特性和波長特性，來確定樣品中所含的元素和氧化物。在文物保護(hù)研究中，特別強(qiáng)調(diào)對樣品的非破壞性，因而該技術(shù)可以應(yīng)用于文物保護(hù)研究中。

太原市永祚寺無梁殿所使用的灰漿材料主要成分（表1）以CaO為主，約占總量的64.46%，同時(shí)含有較多的Al2O3和SiO2，分別占總量的14.89%和13.21%，另外含有微量的SO3、K2O、Fe2O3和MnO。而磚砌體材料則主要以SiO2為主，含量高達(dá)75.81%，同時(shí)含有較多Al2O3，占比為14.67%，其他類型的氧化物含量較少，如MgO、P2O5、SO3、CaO、K2O、Fe2O3和MnO。由于灰漿材料和磚砌體在建筑物中所起的功能不用，故其所使用的原材料的元素和組成以及材料制作方法不同，使得兩者的主要氧化物CaO和SiO2含量差異明顯。所測試的磚砌體樣品中CaO的含量僅為0.31%。

表1 樣品氧化物成分

XRF分析結(jié)果（表2）顯示磚砌塊樣品中主要為Si、Al元素，占比可達(dá)88.32%；Mg、Ca、K、Ti、Fe等元素含量較少，總占比為10.96%；同時(shí)含有微量的Na、P、S、Cr、Cl元素。

表2 磚砌體化學(xué)元素組成

上述結(jié)果綜合說明太原市永祚寺無梁殿所使用的磚砌體在原材料的選用上具有一定的取舍，選用了低鈣含量，即低石灰石含量的黏土，選取低鈣含量的黏土可有效提高磚砌體的力學(xué)性能和長期使用情況下的耐久性。因?yàn)轲ね林械拟}元素主要來源于石灰石（CaCO3），在青磚燒制過程中，高溫煅燒會(huì)使其發(fā)生分解，如果石灰石含量較高，將會(huì)產(chǎn)生很大一部分二氧化碳?xì)怏w（CO2）和生石灰（CaO），氣體的產(chǎn)生會(huì)使青磚內(nèi)部產(chǎn)生大量孔隙，孔隙的存在將很大程度地降低青磚的抗壓強(qiáng)度和耐久性。而在青磚的后期養(yǎng)護(hù)和使用過程中，由于空氣中水分的存在，石灰石分解產(chǎn)生的生石灰會(huì)發(fā)生水化反應(yīng)生成Ca（OH）2，Ca（OH）2體積大于CaO，隨著CaO水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，青磚內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定的膨脹應(yīng)力，會(huì)加速青磚的劣化甚至破壞，不利于青磚的長期使用。

2.1.2 XRD測試結(jié)果分析

X射線衍射分析（XRD）是材料研究領(lǐng)域中進(jìn)行物相鑒別最有效和最便捷的方式之一，每種晶體都具有確定的粉末衍射線分布，在X射線衍射圖譜中表現(xiàn)為一組特定的衍射峰，其衍射峰的相對強(qiáng)度通常也決定于晶體本身的結(jié)構(gòu)。通過粉末法對材料物相組成進(jìn)行定性分析時(shí)，只要將所測得的衍射圖譜通過MDI Jade軟件，經(jīng)JCPDS檢索就可確定X射線圖譜中各個(gè)衍射峰所代表的晶體相，確定該粉末的物相組成。

在灰漿材料的XRD衍射圖譜（圖1）中，存在7個(gè)主要衍射峰，石英的主要特征峰分別出現(xiàn)在26.8°、42.4°和50.2°左右，其峰值強(qiáng)度相對較低。方解石的主要特征峰出現(xiàn)在29.4°、39.5°、47.6°和48.6°左右，其中29.4°處表現(xiàn)出極強(qiáng)的峰值強(qiáng)度。因此灰漿材料以碳酸鈣和石英為主，其中碳酸鈣以方解石晶型為主，石英可能來源于灰漿材料原材料中的菱鎂礦和黏土礦物。在磚砌塊樣品的XRD圖譜（圖2）中，與灰漿材料XRD衍射圖譜明顯不同，石英的主要特征峰出現(xiàn)在20.9°、26.8°、50.5°和68.3°，其中26.8°左右為石英晶型的第一特征峰。方解石的主要特征峰出現(xiàn)在36.0°、39.5°和60.4°，峰值強(qiáng)度均不是很高。磚砌體材料主要以石英和碳酸鈣為主，但是二者占比與灰漿材料相比，存在較大的不同。磚砌體材料以石英為主要成分，而灰漿材料碳酸鈣占比較多。

圖1 灰漿XRD圖譜

圖2 磚砌體XRD圖譜

2.2 結(jié)構(gòu)靜力性能分析

為了對永祚寺無梁殿三進(jìn)院建筑的結(jié)構(gòu)性能和結(jié)構(gòu)安全現(xiàn)狀進(jìn)行準(zhǔn)確的評估，利用三維激光掃描、傾斜攝影、近景攝影測量等快速無接觸的數(shù)字化勘測手段對永祚寺無梁殿建筑群實(shí)施多維度空間信息的數(shù)據(jù)采集（圖3），在此基礎(chǔ)上采用Abaqus有限元分析軟件對三進(jìn)院主要建筑物建立模型，對其進(jìn)行模擬計(jì)算，分析其主體結(jié)構(gòu)在靜力受力狀態(tài)下的受力特性。

圖3 測繪數(shù)據(jù)采集

永祚寺無梁殿為磚石無梁結(jié)構(gòu)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料?和《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50003-2011）中的相關(guān)規(guī)定，磚砌體取密度為1990kg/m3，泊松比為0.15，恒荷載取磚石砌體結(jié)構(gòu)自重，屋頂活荷載取0.7kN/m2，恒荷載組合系數(shù)取1.2，活荷載組合系數(shù)取1.4。取磚砌體材料的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.35MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為0.17MPa。對永祚寺無梁殿三進(jìn)院各建筑進(jìn)行了靜力載荷作用下的受力分析，采用位移、第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力為主要參考指標(biāo)，對其安全穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

2.2.1 有限元模型

按照太原市永祚寺無梁殿（圖4）采用Abaqus有限元分析軟件建立建筑實(shí)體模型（圖5），并劃分網(wǎng)格單元。模型網(wǎng)格單元共計(jì)90852個(gè)，假設(shè)不考慮原有結(jié)構(gòu)缺陷，計(jì)算時(shí)采用線彈性分析方法。

圖4 永祚寺無梁殿建筑立面圖

圖5 永祚寺無梁殿有限元模型

2.2.2 結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算結(jié)果

由永祚寺無梁殿在靜載荷作用下的位移變形云圖（圖6）可以看出，在靜荷載作用下該建筑磚砌體柱構(gòu)件底部均出現(xiàn)輕微壓彎現(xiàn)象，中間明間兩根柱窗臺部位位移變形較大（0.11mm），兩邊稍間柱較?。?.07mm）。建筑頂部中間部位存在下凹現(xiàn)象（0.56mm），整體位移量不大，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由永祚寺無梁殿在靜荷載作用下的第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（圖6）可以得出，在自重恒荷載和屋頂活荷載組合工況下，無梁殿第一主應(yīng)力最大值為0.07MPa，與該建筑磚砌體材料的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（0.17MPa）差值僅為0.1MPa，而由于磚砌體材料為脆性材料，當(dāng)最大第一主應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，砌體構(gòu)件就會(huì)發(fā)生拉裂破壞。另考慮到建筑年代久遠(yuǎn)，存在不可避免的材料屬性的劣化而導(dǎo)致的材料強(qiáng)度的損失，極有可能發(fā)生拉裂破壞，出現(xiàn)裂縫。結(jié)合有限元模擬計(jì)算結(jié)果云圖，第一主應(yīng)力值較大值主要出現(xiàn)在無梁殿的兩個(gè)部位，分別是窗臺拱券頂部和明間拱和稍間拱之間的隔墻頂部。有限元分析結(jié)果與太原市永祚寺無梁殿現(xiàn)場勘察得到的裂縫位置相吻合，裂縫位置為門窗拱券頂部（圖7）。

圖6 有限元計(jì)算結(jié)果

圖7 窗臺拱券頂部裂縫

由永祚寺無梁殿在靜荷載作用下的第三主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果（圖8）可以看出，在自重恒荷載和屋頂活荷載組合工況下，第三主應(yīng)力從上到下逐漸增大，在明間拱門底腳處和拱門柱里側(cè)的窗拱底角處出現(xiàn)較大的應(yīng)力，整體結(jié)果最大值為0.49MPa，沒有超過該建筑磚砌體材料的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（1.35MPa），且差值接近1MPa，存在一定的安全存量。另外計(jì)算結(jié)果云圖可以反映模型的變形情況，該建筑拱柱均存在一定的壓彎情況，表現(xiàn)為中下部向外彎曲，其中以明間拱門兩邊拱柱最為明顯。考慮到建筑材料隨時(shí)間產(chǎn)生的劣化現(xiàn)象，結(jié)合數(shù)值模擬第三主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖，認(rèn)為明間拱門底腳處、拱門柱里側(cè)的窗拱角部和客房稍間拱門的兩個(gè)拱腳處容易破壞，作為主要受力部分，出現(xiàn)破壞會(huì)嚴(yán)重影響建筑本體的穩(wěn)定性。

圖8 第三主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)論

為了對太原市永祚寺無梁殿進(jìn)行健康體系評估，搭建健康數(shù)據(jù)平臺，對該類型古建筑進(jìn)行更好的保護(hù)，對其保護(hù)范圍內(nèi)的磚砌體及灰漿的材料特性和整體靜力結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了一些研究，得到的結(jié)果表明：

①太原市永祚寺無梁殿所使用的灰漿材料主要成分以CaO為主，約占總量的64.46%，同時(shí)含有較多的Al2O3和SiO2，分別占總量的14.89%和13.21%；磚砌體材料主要以SiO2為主，含量高達(dá)75.81%，同時(shí)含有較多Al2O3，占比為14.67%，其他類型的氧化物含量較少。

②太原市永祚寺無梁殿所使用的磚砌體選用了低鈣含量的黏土燒制，目的是提高磚制品的質(zhì)量，有效延長磚制品的耐久性。在后期建筑維護(hù)中，可以考慮使用該類型原材料燒制的磚砌體，以達(dá)到“修舊如舊”的實(shí)際效果。

③太原市永祚寺無梁殿整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明較大的拉應(yīng)力出現(xiàn)在明間拱和稍間拱之間的隔墻頂處以及窗臺拱券頂部，該部位出現(xiàn)開裂的可能性較大；較大壓應(yīng)力出現(xiàn)在明間拱門底腳處、拱門柱里側(cè)的窗拱角部和客房稍間門的兩個(gè)拱腳處，該部位出現(xiàn)壓裂破壞以及拱門柱出現(xiàn)壓彎的可能性較大。因此，建議在后續(xù)對該建筑的加固修繕中對這些部位進(jìn)行重點(diǎn)加固處理。

注釋

①葉若琛.山西地區(qū)仿木建筑淺析[D].太原：太原理工大學(xué)，2016.

②李儼，郭華瑜.太原永祚寺 明代寺院建筑的典型范例[J].大眾考古，2018（4）：87-90.

③王雪芹.隆昌寺無梁殿建筑裝飾藝術(shù)研究[D].南京：南京師范大學(xué)，2011.

④趙婧，曹磊.明清無梁殿建筑裝飾特色研究[J].蘭臺世界，2015（3）：146-147.

⑤劉娟.中國傳統(tǒng)建筑營造技術(shù)中磚瓦材料的應(yīng)用探析[D].太原：太原理工大學(xué)，2009.

⑥過云靈.中國無梁殿體系研究之北京地區(qū)[D].南京：南京師范大學(xué)，2014.

⑦淳慶，湯曄崢，潘建伍，等.明代石拱橋襟湖橋保護(hù)技術(shù)研究[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2016（3）：65-72.

⑧趙守江，戴君武.故宮西華門磚拱券結(jié)構(gòu)分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2016（15）：98-101.

⑨?淳慶，楊紅波，孟哲，等.太原永祚寺無梁殿的建筑形制及結(jié)構(gòu)靜力性能研究[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，2019（6）：85-91.

⑩倪浩冉，趙騰飛，董晴晴，等.以光岳樓為例淺議古建筑磚石結(jié)構(gòu)保護(hù)[J].廣東建材，2021（9）：48-50.

?李斌.山西明清時(shí)期古磚瓦原構(gòu)件性能研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2020.

?孔德榮.磚石構(gòu)造古建筑的特點(diǎn)及修繕策略[J].四川建材，2020（8）：36-37.

?黃文錚，鄭力鵬.古建筑舊青磚回彈測強(qiáng)曲線的建立[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011（13）：3111-3113，3118.

?趙鵬.荷載與環(huán)境作用下青磚及其砌體結(jié)構(gòu)的損傷劣化規(guī)律與機(jī)理[D].南京：東南大學(xué)，2015.