磚木結構低矮古建筑抗風安全性鑒定分析

■ 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，對優(yōu)秀古建筑的保護有重要意義。風荷載不僅對高聳、大跨度結構有控制作用，對低矮古建筑的安全性也會產(chǎn)生不利影響。在古建筑的房屋檢測鑒定中，我們需要對受檢建筑的抗風薄弱部位給予足夠重視。

1 古建筑的結構體系概述

磚砌體和木材是中國古建筑的主要建筑材料。古建筑中，對于建筑設置在周測的外墻及承重隔墻普遍采用砌體結構，在兼顧建筑抗風、防火功能的同時,肩負著豎向承重及提高整體結構抗側剛度的使命。對于廟宇殿堂、宴會大廳等大空間區(qū)域，一般設置于房屋正中，以木結構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，木結構布置方法又可分為抬梁式、穿斗式、井干式木構架。

圖1 木結構構件飾以雕花

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睛之筆，同時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構，最終通過木柱將豎向荷載傳給基礎；古建筑的水平荷載（風荷載等）一般由隔墻或屋面通過樓板或木結構將水平荷載傳遞給周側的砌體外墻，最終通過砌體墻將水平荷載傳遞給場地地坪。

由于其建筑功能的精美和結構構造的重要性，優(yōu)秀古建筑的建筑屋面及木結構往往是建筑的重點保護部位。因此，在古建筑房屋檢測、保護的過程中，相應結構、建筑構件的重要性不言而喻。

2 古建筑的房屋檢測

古建筑的房屋檢測鑒定工作責任重大。為了能更好地保護古建筑,并對其修繕維護工作提供針對性的方向及科學依據(jù)，本文將結合某典型文物古建筑工程實例，對磚木結構低矮古建筑，尤其是其重點保護部位（屋面及木構架）的安全性鑒定進行分析。

該文物古建筑始建于清代，舊時為土地廟，曾遭日軍炮火襲擊，于民國時期敗落，房屋整體損傷嚴重（圖3）。土地廟正殿坐北朝南，正脊端部裝飾帶廟宇特征。房屋外圍承重結構采用磚砌體墻，正殿正中通過兩榀抬梁式木構架營造建筑大空間；正殿東西兩側各采用一榀穿斗式木構架與配房進行分隔，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架上形成屋面主結構上，檁條上設木椽并依次鋪望磚、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）。

在房屋安全性檢測中，為了對古建筑的損壞情況有一個初步判斷，首先應對受檢古建筑進行完損檢測，并重點檢查其重點保護部位。古建筑檢測中除了需要對主要結構構件的損壞及缺陷密切關注外，也需要對建筑做法、結構構造進行仔細復核，并對上述內(nèi)容進行詳細的記錄與分析。

古建筑由于年代久遠，資料不全。因此，房屋檢測應對古建筑進行建筑、結構的測繪，得到建筑主要構件的尺寸及定位，為后續(xù)鑒定、修繕及保護等工作提供必要的資料；此外，還應對整體房屋及主要結構構件的傾斜、撓度進行測量并記錄。在本次土地廟的測繪工作中，為了獲取更為詳細、全面的房屋尺寸及變形信息，特采用了三維掃描技術對土地廟重要的正殿區(qū)域進行測量并繪制結果（圖6）。

為了科學的評價房屋的安全性，對古建筑的主要結構材料進行材性鑒定及檢測。檢測過程中應該盡量使用無損檢測技術，以保證古建筑的完好和原真性。

根據(jù)房屋測繪圖紙、結構材性檢測結果及相關變形數(shù)據(jù)，并結合房屋的完損檢測結果，可開展下一步房屋安全性鑒定的工作，本文主要對古建筑抗風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 抬梁式木構架結構立面圖

圖6 三維掃描分析圖

3 古建筑的抗風安全性鑒定

鑒定分析采用房屋實測的構件定位及材料強度，其中,對于古建筑中干縮開裂的木結構材料強度及彈性模量,結合《既有建筑物結構檢測與評定標準》（DG/TJ 08—804—2005）第4.9.5條進行相應折減，保證后續(xù)鑒定的可靠性。一般情況下，在整體鑒定分析中,應考慮主要結構構件的變形、傾斜等幾何不利條件；在構件的承載力驗算中，應考慮現(xiàn)場檢測所發(fā)現(xiàn)的構件局部缺陷等材料、截面不利因素。

對受檢房屋主要荷載進行取值，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，基本風壓取值0.55 kN/m2；對于風荷載標準值，除了和基本風壓有關外，還與風壓高度、風荷載體型系數(shù)及風振或陣風效應有直接關系。

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

根據(jù)相關專家評審意見，該屋面望磚做法有一定的歷史價值，且為此古建筑坡屋面做法的重要組成部分，屬于重點保護部位。但在風荷載作用下，望磚對于屋面整體性的貢獻較差，無法將較柔的木構架和較剛的砌體墻有效結合并協(xié)調(diào)工作。因此，風荷載無法直接、有效地傳遞給砌體結構，從而在抗側承載力較為薄弱的木構架中形成應力集中。

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

圖7 整體建筑橫風向風荷載體型系數(shù)取值

圖8 不同坡度屋面的風壓系數(shù)分布

圖9 木屋架橫風向局部風荷載體型系數(shù)取值

對于木檁條，由于單構件受風面積較小，在屋面風壓系數(shù)較大的位置更容易出現(xiàn)風荷載作用下應力集中的情況。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：風吸工況下-1.5，風壓工況下+0.7；同時，考慮受檢房屋室內(nèi)有空氣對流條件，根據(jù)其外表面風壓正負情況，按最不利取內(nèi)部局部壓力系數(shù)±0.2進行疊加計算?？紤]到檁條不屬于直接承受風荷載的構件，故根據(jù)《荷載規(guī)范》相應進行受風面積的系數(shù)折減，此時陣風系數(shù)取值2.05。

根據(jù)以上參數(shù)及荷載取值，對受檢房屋典型的抬梁式木構架在較為不利的橫風向作用下結構響應進行分析對比（圖10）。

按計算分析所得的構件內(nèi)力，根據(jù)《近現(xiàn)代歷史建筑結構安全性評估導則》（WW/T 0048—2014）第5.3.3條，對基本組合的系數(shù)進行取值，并分別整理成兩種對比工況。古建筑坡屋面一般是不上人屋面,其屋面活載不需要與風荷載同時考慮組合。

圖10 抬梁式木構架典型構件編號

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值，分別考慮按房屋整體風荷載體型系數(shù)（風體型系數(shù)取值見圖7）影響下的計算結果，以及按房屋局部風荷載體型系數(shù)考慮（木構架風體型系數(shù)取值見圖9，木檁條計算取值見本文相關描述）影響下的計算結果。分別就工況A與工況B的計算結果比值進行統(tǒng)計并對比，其中，相關典型構件彎矩和軸力分析結果對比見表2、3；同時，分別根據(jù)各構件的受力情況，按拉彎或壓彎構件進行承載力驗算，并統(tǒng)計各構件應力比（表4）。

對比表2、3中數(shù)據(jù)可知，風荷載對部分構件內(nèi)力影響較大（如木梁1及木柱2），甚至有時會影響最終的鑒定分析結果。由表4可知，受檢房屋木檁條嚴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荷載參與的基本組合。

根據(jù)檢測及鑒定結果可知，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行有效傳遞，風荷載內(nèi)力基本組合會成為部分木結構構件的控制工況。經(jīng)復核，局部不滿足風荷載組合工況的木梁1為主要承重及框架抗側構件，其一旦破壞，將可能引起整體木結構體系的連續(xù)損壞甚至倒塌。

表2 典型構件彎矩比值

表3 典型構件軸力比值

表4 典型構件應力比

進一步分析可知，風荷載影響比較明顯的主要構件主要是承受豎向荷載較小且對水平荷載比較敏感的抗側力構件；此外，由局部風壓分布集中造成的風荷載響應會控制相關結構構件的鑒定計算結果。

4 結語

屋面及木構架結構通常是優(yōu)秀古建筑的重點保護對象。在低矮磚木結構古建筑的房屋檢測鑒定中，簡單地僅憑經(jīng)驗而忽視風荷載的作用，有時會影響相應木結構構件的鑒定結果，從而造成疏漏與隱患，不利于古建筑的保護工作。

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

對于結構主要構件抗風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。建議對具有安全隱患木構件的既有相鄰砌體墻，采用加強抗側剛度的加固方法進行修繕；若有必要，也可對相應木結構與砌體結構連接節(jié)點相應加強。這種改變傳力途徑，減少木構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保護部位的原真性。