談某磚混拱門文物的檢測鑒定

張 繼 紅

(深圳市恒義建筑技術有限公司，廣東 深圳 518106)

我國磚石砌體除應用于一些小體量的功能性建筑物(如照壁、圍墻等)外，還應用于禮制建筑、宗教建筑，以及一些攻防工程(城墻、城門等)等[1]。隨著我國經濟社會的高速發展，具有重要歷史、文化和科學研究價值的文物建筑越來越受到人們的關注，文物的檢測鑒定與加固工作已越來越受到重視[2]。

1 工程概況

本次進行檢測鑒定的歷史建筑城門坐北朝南、面闊5間20 m，進深3間10 m。單檐四面坡式灰瓦頂，磚木結構，抬梁式構造，長22 m、寬10.7 m的磚砌城臺上，下部辟拱門。1983年后，市政府將古城門列為重點文物保護單位，現已成為中外游人慕名而來的著名景點。2002年11月，該建筑被列為第四批省級重點文物保護單位。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構安全，掌握該結構的安全性，業主委托要求按照《文物建筑中磚石結構維修與加固技術規范》(征求意見稿)、GB 50292—2015民用建筑可靠性鑒定標準、GB 50068—2001建筑結構可靠度設計統一標準及其他有關規范要求，對結構安全性做出評定，提交鑒定報告，并提出相應的加固處理意見和維修措施建議。

2 現場工作內容

2.1 查閱圖紙資料

包括巖土工程勘察報告、設計計算書、設計變更記錄、施工圖、施工及施工變更記錄、竣工圖、竣工質檢及包括隱蔽工程驗收記錄的驗收文件、定點觀測記錄、施工處理報告、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構受損傷的原因，以及挖掘結構的承載潛力。主要包含如下幾個方面：

1)荷載調查確定：結構自重、裝修自重；活荷載；雪荷載、風荷載等。2)作用調查：基礎不均勻下沉；溫度；變形；侵蝕；地震作用等。3)使用情況調查：結構防水、保護狀況；維護檢修的周期。

2.3 結構現狀檢驗

1)地基基礎調查：場地類別與地基土；地基變形；地基變形在上部結構中的反應(散水開裂情況調查、下部墻體裂縫檢驗)；其他因素(包括地下水抽降、地基浸水、水質惡化、土壤腐蝕等)的影響或作用。

2)對結構、構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行詳細檢查等[3]。并根據損傷情況確定詳細探查位置、對破損情況進行分級。對勾縫粉化、破損、開裂等缺陷進行詳細檢查，查清缺陷部位范圍、尺寸等。并根據損傷情況確定詳細探查位置、對破損情況進行分級。

3)對圍護系統進行現狀檢驗。

3 現場檢測

3.1 結構布置檢測

結構布置檢測，主要包括結構型式、結構構件平面布置、截面尺寸等。此項檢測除使用全站儀、尺子、激光測距儀外，還需對城樓墻體進行鉆芯，以此得到墻體砌塊厚度。

3.2 現狀缺陷檢測

對城臺現狀缺陷進行詳細勘測，對城臺外觀的裂縫、空鼓、酥堿和歪閃等缺陷進行檢測，查清缺陷部位范圍、尺寸、裂縫深度、風化深度等[4]。

3.3 城臺磚強度檢測

采用回彈法對城臺磚強度進行測試，并把鉆芯試樣做成標準試塊，送試驗室進行壓縮強度試驗，綜合分析兩種試驗結果，得出城臺磚實際強度。

3.4 灰漿強度檢測

采用貫入法對灰漿強度進行現場檢測，并作為推定抗壓強度的依據。

3.5 雷達測試

采用現場雷達測試，通過反應波反映城墻的損傷情況和程度。雷達檢測項目主要如下：城臺內部的介質檢測、城臺磚的內部破損檢測、城臺內部土體空洞、松散程度的檢測定位。

3.6 內填介質檢測

在城臺頂部采用探坑對內填介質進行測試，并做成試樣送實驗室進行分析，得出內填介質的物理特性。

3.7 其他

綜合上述檢驗、檢測結果，如有必要還需對城臺基礎補充地勘、城臺墻體鉆芯取土、城臺監測等項目。

4 結構計算分析

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件，利用拱結構對材料受壓性能要求高，受拉和抗剪性能要求低等特點，在特定的年代為城門提供大跨度空間；兩端的墩臺為重力式結構，依靠自身超強的抗傾覆和抗滑移保持結構的穩定性和整體性；側墻和芯墻等組成城門的拱上結構。

根據現場實測數據，對該建筑下部城墻及拱門進行了受力性能分析。該分析采用大型有限元軟件ABAQUS對下部城墻及拱門進行了建模計算，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定性。

4.1 有限元計算單元類型的選取

本工程采用實體單元(Solid)模擬墻體，在單元劃分較細時，使用三維8節點減縮積分單元(C3D8R)可以得到比較準確的計算結果，故本計算采用C3D8R單元。

在ABAQUS的CAE模塊，對城墻進行建模模擬計算時，在對其進行網格劃分時統一采用六面體單元，通過Mesh(網格)模塊來布置種子和劃分網格。本工程模型圖及網格劃分見圖3，圖4。

4.2 結果分析

1)從主壓應力分布圖計算結果中可以看出，拱圈兩側墻體及拱頂上部是受力薄弱環節，保持受力拱圈的整體性和穩定性，是實現建筑功能的前提。通過該模型的應力云圖計算結果可知，在城墻拱頂下部等效應力很小，因此，有必要采取有效措施防止該處側向墻體鼓出保持結構的整體穩定性。根據計算結果，拱圈底部兩側墻體壓應力最大，最大壓應力為0.17 MPa。

2)從拉應力分布計算結果中可以看出，拱體兩側耳房上部承受拉力，最大拉應力為0.14 MPa，小于砌體抗拉強度平均值0.15 MPa。拱體上部為拱圈最易損傷的部位，往往是最大負彎矩和拉應力集中出現的部位，拉應力區較大，模型也驗證了上述結論的正確性。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算結果可以看出，拱體頂部相對變形較大，兩邊的耳房變形基本可以忽略。

4)從位移計算結果可以看出，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 結語

主壓應力計算分析結果顯示：結構最大壓應力為0.17 MPa，小于砌體抗壓強度平均值1.07 MPa。拉應力計算分析結果：拱圈上部主要承受拉應力，但拉應力值很小，大部分均為0.002 9 MPa。城墻疊加計算分析結果：說明拱頂是受力不利部位，但城墻變形很小，結構穩定，安全系數較大。結構位移分析結果：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：城門整體結構穩定，主體結構安全，滿足受力要求。