上海近代歷史建筑結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能研究?

鄭士舉

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司上海市工程結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實驗室，上海 200032）

0 引言

上海自19 世紀(jì)40 年代開埠以來，中西方建筑文化逐漸融合，建造了大量優(yōu)秀的近代歷史建筑并保留至今。 上海的近代建筑遺產(chǎn)大多為西式建筑或中西合璧的建筑風(fēng)格，在結(jié)構(gòu)用材和結(jié)構(gòu)形式上也緊跟西方的潮流，很多剛出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)材料如鋼筋混凝土、鋼材等也很快在上海得到了推廣應(yīng)用。 在當(dāng)時的公共租界，上海工部局也制定了相應(yīng)的建筑規(guī)則來規(guī)范建造活動。 1914—1916 年，上海工部局制訂了公共租界建筑法規(guī)，其中首次納入了《鋼筋混凝土規(guī)則》和《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)則》［1］。

材性檢測是歷史建筑安全性評估的前提之一，但限于技術(shù)手段和現(xiàn)場條件，往往不能充分檢測歷史建筑的結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能，導(dǎo)致材性信息不詳，影響后續(xù)鑒定評估。 目前，對于上海近代歷史建筑的結(jié)構(gòu)材性特征和規(guī)律尚無相關(guān)研究，本文結(jié)合歷史文獻(xiàn)資料和工程實踐，對上海近代歷史建筑的主要結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行梳理，探索材料力學(xué)性能的規(guī)律和當(dāng)時的時代特征，可供歷史建筑檢測評估和修繕設(shè)計參考。

1 混凝土

19 世紀(jì)末期，混凝土在上海逐漸得到應(yīng)用，至20 世紀(jì)20 年代，已成為主要結(jié)構(gòu)材料之一。 近代歷史建筑中的混凝土在當(dāng)時尚無明確的強(qiáng)度等級概念，控制混凝土強(qiáng)度主要通過控制容積配合比和水灰比，容積配合比即水泥、黃砂、石子容積比，最常用的為1 ∶2 ∶4。 對混凝土強(qiáng)度要求更高的，則采用1 ∶1.5 ∶3 或1 ∶1 ∶2。 同時對水灰比采用經(jīng)驗比例進(jìn)行控制，有更高要求時，進(jìn)行試塊試驗以保證混凝土的質(zhì)量［2］。

水泥含量越高、水灰比越小、齡期越大的混凝土強(qiáng)度越高。 以常用配合比1 ∶2 ∶4 為例，203mm×406mm 的圓柱體試樣，齡期1 周后，其抗壓強(qiáng)度能達(dá)到1 200Psi（約8.3MPa），4 周后能達(dá)到2 000Psi（約13.8MPa），4 個月后能達(dá)到3 000Psi （約20.7MPa）， 12 個月后能達(dá)到 3 500Psi （ 約24.1MPa）［2］。 一般情況下，以28d 為標(biāo)準(zhǔn)齡期。

筆者對上海地區(qū)近代混凝土結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度進(jìn)行了統(tǒng)計分析，結(jié)果表明，上海地區(qū)近代鋼筋混凝土建筑中，絕大多數(shù)建筑的混凝土強(qiáng)度可以達(dá)到14MPa 以上，即可以達(dá)到1 ∶2 ∶4 的混凝土28d 抗壓強(qiáng)度，多數(shù)強(qiáng)度等級在C15 ～C20，個別可以達(dá)到C25，這一統(tǒng)計結(jié)果與當(dāng)時的設(shè)計情況基本吻合。部分典型建筑的混凝土強(qiáng)度實測結(jié)果如表1 所示。

表1 典型近代混凝土結(jié)構(gòu)實測混凝土強(qiáng)度等級Table 1 Measured concrete strength of typical modern concrete structures

當(dāng)時的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用容許應(yīng)力法，1916 年發(fā)布的《鋼筋混凝土規(guī)則》［3］中對混凝土的容許應(yīng)力規(guī)定如下：混凝土的許可應(yīng)力，除長柱另有規(guī)定外，不超過表2 中的數(shù)值［3］。 表2 中的直接抗壓可理解為軸心抗壓，梁及樓板邊緣壓力可以理解為受彎構(gòu)件的受壓邊緣應(yīng)力。 抗壓容許應(yīng)力約取試塊28d 抗壓強(qiáng)度的1／3。 軸心受壓柱的混凝土抗壓容許應(yīng)力還應(yīng)根據(jù)柱的長細(xì)比進(jìn)行折減。

表2 近代混凝土結(jié)構(gòu)混凝土容許應(yīng)力Table 2 Allowable concrete stress of modern concrete structure

2 鋼筋

近代混凝土建筑中的鋼筋形狀以圓形或方形為主，也有扁鋼、扭鋼、雙扭鋼筋（俗稱麻花鋼）等形狀。 鋼筋多從歐美進(jìn)口，德國進(jìn)口的多為光面鋼筋（plain bar），美國進(jìn)口的多為帶肋鋼筋，俗稱“竹節(jié)鋼”（corrugated bar）［2］。

上海工部局制訂的《鋼筋混凝土規(guī)則》［3］主要參考了當(dāng)時西方國家的設(shè)計規(guī)范，其中以美國和英國為主。 關(guān)于鋼筋，美國材料實驗協(xié)會ASTM 于1911 年和1913 年分別制定了針對坯鋼和軌鋼的鋼材標(biāo)準(zhǔn)A15 和A16，A15 規(guī)定的鋼筋強(qiáng)度如表3 所示［4］。 同一時期的英國規(guī)范對鋼筋強(qiáng)度的要求與美國不盡一致，但基本在相近的強(qiáng)度水準(zhǔn)內(nèi)。

表3 中建筑鋼、中級鋼和硬鋼均屬于碳鋼，區(qū)別在于含碳量的不同，含碳量越高，鋼材越硬，強(qiáng)度越高，但同時更脆，斷后伸長率降低，所以硬鋼極少用于建筑結(jié)構(gòu)。 1948 年出版的《簡明鋼骨混凝土術(shù)》［5］中提到鋼筋有軟硬之分，硬鋼性質(zhì)較脆而強(qiáng)度高，容易發(fā)生結(jié)構(gòu)脆性破壞，結(jié)構(gòu)中以用軟鋼為佳。 可見，近代混凝土結(jié)構(gòu)采用建筑鋼或軟鋼比較普遍，但從檢測實踐看不能認(rèn)為全部采用建筑鋼。

從筆者搜集到的近代建筑鋼筋強(qiáng)度拉伸試驗結(jié)果看［4］，有相當(dāng)部分鋼筋的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均達(dá)到了中級鋼的要求。 對歷史建筑進(jìn)行安全性評估時，目前習(xí)慣于把歷史建筑中的鋼筋強(qiáng)度評為HPB235 級，對于采用了較高強(qiáng)度鋼筋的結(jié)構(gòu)來說偏保守，可能帶來一些不必要的加固。 但僅從外表無法區(qū)分強(qiáng)度等級，研究表明采用里氏硬度法判斷歷史建筑中的鋼筋強(qiáng)度等級是可行的［4］。

關(guān)于扭鋼和雙扭鋼筋，在少量建筑中也有使用，典型案例如圖1，2 所示。 美國規(guī)范對冷扭鋼筋屈服強(qiáng)度最小值的要求是379MPa，英國規(guī)范對雙扭鋼筋屈服強(qiáng)度的最小值要求是372MPa，基本一致。根據(jù)美倫大樓的鋼筋取樣檢測結(jié)果，扭鋼屈服強(qiáng)度很高，達(dá)到450MPa，但斷后伸長率平均值僅為12%，這與扭鋼含碳量高及冷扭工藝有關(guān)，導(dǎo)致鋼筋材性較脆。 在承載力驗算時，對于扭鋼，考慮到鋼筋較脆，不可充分利用其鋼筋強(qiáng)度，尤其從抗震角度看，采用這種鋼筋是很不利的。 當(dāng)時的英美規(guī)范規(guī)定扭鋼的容許應(yīng)力與中級鋼一致，如表4 所示，因此對扭鋼的強(qiáng)度等級取值建議按中級鋼取。

“銀行”里存的不是錢,而是糧食；“存折”里存的不是錢數(shù),而是糧食持有數(shù),這就是山西省晉中市祁縣創(chuàng)立的“糧食銀行”。祁縣是曾經(jīng)以“票號”匯通天下的晉商故里,如今活躍著一群“新晉商”，他們奔波在莊稼漢與莊稼地之間,拿著“糧食銀行”這一鑰匙,憑信用贏支持,拿價格作引導(dǎo),提檔升級謀創(chuàng)新,成為糧食收購市場的一抹亮色。

圖2 上海四川大樓中的雙扭鋼筋Fig.2 Double twisted steel bar in Sichuan Mansion in Shanghai

表4 近代相關(guān)國家規(guī)范鋼筋容許應(yīng)力取值Table 4 Allowable steel bar stress in codes of relevant countries in modern times

3 砌體

磚的制作在中國已有很長的歷史，但中國傳統(tǒng)建筑中常用的是青磚，尺寸不同于歐洲的紅磚，上海開始生產(chǎn)歐洲式紅磚大約是在1858 年，中國傳統(tǒng)青磚在尺寸上也開始轉(zhuǎn)向與紅磚相同的尺寸。 從19 世紀(jì)80 年代到20 世紀(jì)初，維多利亞風(fēng)格清水磚墻的立面處理手法大量出現(xiàn)，上海西式建筑進(jìn)入一個以清水磚墻為主要特征的發(fā)展階段［6］。

黏土磚有土窯磚和機(jī)制磚之分，機(jī)制磚的質(zhì)量較好。 上海近代建筑中常用磚的規(guī)格有足二五十磚（長250mm）、95 磚（長240mm）、85 磚（長216mm）等［7］。 根據(jù)《中國工程師手冊》，美國材料試驗協(xié)會曾對磚的強(qiáng)度進(jìn)行分級［8］，如表5 所示。

表5 《中國工程師手冊》中磚強(qiáng)度等級Table 5 Grade of brick strength in Chinese engineer manual

在早期民居中砌墻的砂漿常用爛泥石灰，一般用1 份石灰＋8 份泥土配制而成，這種砂漿強(qiáng)度很低，約為0.4MPa。 在后期石庫門里弄民居和新式里弄民居中，多采用石灰砂漿和水泥砂漿。 《上海市建筑規(guī)則》中規(guī)定磚墻采用灰砂（1 份石灰、2 份砂）或黃砂水泥（1 份水泥、3 份黃砂）砌筑［3］。 上海工部局1901 年公布的中式房屋的設(shè)計規(guī)則《公共租界工部局中式新房建造章程》［9］中規(guī)定，磚墻采用1份優(yōu)質(zhì)石灰和3 份砂子合成的砂漿砌合平整。 1 ∶3的石灰黃砂，相當(dāng)于10 號砂漿（1MPa），1 ∶3 的水泥砂漿，相當(dāng)于50 號砂漿（5MPa）［10］。

根據(jù)1937 年頒布的《上海市建筑規(guī)則》［3］，磚墻的容許抗壓能力如表6 所示。

表6 《上海市建筑規(guī)則》規(guī)定的磚墻抗壓能力Table 6 Compressive capacity of brick wall specified in Shanghai building code

4 鋼材

鋼結(jié)構(gòu)在上海的應(yīng)用始于19 世紀(jì)末、20 世紀(jì)初，最初用于橋梁，現(xiàn)存最早的鋼橋當(dāng)屬1908 年建成的外白渡橋。 1913 年所建的上海楊樹浦電廠一號鍋爐房是中國近代最早的鋼結(jié)構(gòu)建筑。 1916 年，公和洋行在上海的首個作品——7 層的外灘天祥洋行大樓（后稱有利大樓）率先使用了鋼框架結(jié)構(gòu)，標(biāo)志著鋼結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于多、高層民用建筑［11］。

建筑工程中用的鋼有軟硬2 種，硬鋼中含碳量為0.6%～1.7%，軟鋼中含碳量為0.04%～0.6%［7］。工程應(yīng)用中一般為軟鋼。 軟鋼的抗拉強(qiáng)度約40kN／cm2，容許應(yīng)力約12kN／cm2。

當(dāng)時中國的鋼材主要從歐美進(jìn)口，因此筆者查閱了美國的相關(guān)規(guī)范，對20 世紀(jì)早期鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和材料強(qiáng)度進(jìn)行了調(diào)研。 FEMA274［12］中對鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史和強(qiáng)度有過論述，至20 世紀(jì)初，鋼取代鑄鐵和鍛鐵，在建筑用金屬材料中已占據(jù)主要地位。 老舊鋼結(jié)構(gòu)中所用的鋼材為軟鋼，屈服強(qiáng)度在30～36ksi（207～248MPa）。

表7 《上海市建筑規(guī)則》規(guī)定的鋼鐵材料容許應(yīng)力Table 7 Allowable stresses of steel materials specified in Shanghai building code

《中國工程師手冊》［8］中規(guī)定的碳鋼強(qiáng)度和布氏硬度如表8 所示［8］。

表8 《中國工程師手冊》規(guī)定的碳鋼強(qiáng)度Table 8 Carbon steel strength as specified in Chinese engineer manual

從上述資料中可以看出，20 世紀(jì)上半葉我國所用的結(jié)構(gòu)鋼材主要為軟鋼，屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，從強(qiáng)度級別上看，與現(xiàn)在的Q235 基本相當(dāng)，因此對于歷史建筑中的鋼結(jié)構(gòu)，鋼材強(qiáng)度級別取Q235 是有充分依據(jù)的。 但從表8 中可以看出，對鉚釘?shù)某休d力進(jìn)行驗算時，鉚釘鋼材的屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值取值不應(yīng)超過172MPa。

5 木材

上海本地不產(chǎn)木材，19 世紀(jì)主要從浙江、安徽、江西、湖南通過內(nèi)河運(yùn)輸木材到上海，福建地區(qū)也有建筑木材通過海運(yùn)至寧波再轉(zhuǎn)運(yùn)至上海，所運(yùn)木材主要為中國南方產(chǎn)的杉木［9］。 因此，早期石庫門房屋中所用的木材主要為杉木。

至1910 年，北美的木材大量進(jìn)入中國，其中進(jìn)口最多的是花旗松，俗稱洋松或俄勒岡松（Oregon pine），洋松主要產(chǎn)于北美洲太平洋沿岸。 在后期石庫門房屋和花園住宅中，桁條、屋架、擱柵、地板等均廣泛采用洋松，洋松為這一時期建房普遍采用的木材［9］。 據(jù)《上海住宅建設(shè)志》［13］，早期石庫門建筑中（1910 年前）立帖式磚木結(jié)構(gòu)中樓擱柵用杉木，上鋪杉木板。 在后期石庫門住宅中（1910—1919年），樓擱柵由杉木改用洋松，樓板鋪洋松企口板。由此可得出一個基本判斷，早期石庫門建筑中的結(jié)構(gòu)用木材主要為杉木，強(qiáng)度等級可取GB 50005—2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的TC11A。 花園住宅和后期石庫門建筑中的結(jié)構(gòu)用木材主要為花旗松，強(qiáng)度等級可取《木結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中的TC15A。 木材樹種的精確判斷和材料力學(xué)性能的精確檢測仍然需要取樣檢測。

6 結(jié)語

上海地區(qū)近代歷史建筑結(jié)構(gòu)主材的材料力學(xué)性能是有規(guī)律可循的，通過對歷史文獻(xiàn)資料和既往工程實踐進(jìn)行調(diào)研可得到以下結(jié)論。

1）上海地區(qū)近代鋼筋混凝土建筑中絕大多數(shù)建筑的混凝土強(qiáng)度可以達(dá)到14MPa 以上，多數(shù)強(qiáng)度等級在C15～C20，個別可以達(dá)到C25。

2）近代混凝土建筑中的鋼筋類型多樣，以建筑鋼（相當(dāng)于HPB235）應(yīng)用最廣，但強(qiáng)度更高的鋼筋也有應(yīng)用。

3）歷史建筑中承重墻用磚有青磚和紅磚之分，砌筑砂漿有爛泥石灰、石灰砂漿、水泥砂漿等多種，石灰砂漿應(yīng)用最廣。 目前，關(guān)于青磚和石灰砂漿的無損檢測方法尚不完善，需進(jìn)一步研究解決。

4）近代歷史建筑中的結(jié)構(gòu)鋼材主要為軟鋼，屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，強(qiáng)度與現(xiàn)在的Q235 相當(dāng)。

5）早期石庫門建筑中的結(jié)構(gòu)用木材主要為杉木，花園住宅和后期石庫門建筑中的結(jié)構(gòu)用木材主要為花旗松。