李 泉， 祝林濤， 寧 陟， 夏 劍

(中建七局建筑裝飾工程有限公司， 河南 鄭州 450000)

中國古建筑作為中華民族悠久歷史文化的傳承，具有重要的價值。神垕古鎮(zhèn)作為第一批中國特色小鎮(zhèn)，有著多種類型的古建筑。經(jīng)過千百年的風雨洗禮，古建筑的各種性能逐漸衰退，有些甚至成為危險建筑。對現(xiàn)存的優(yōu)秀古建筑有必要進行準確的損傷評估和安全現(xiàn)狀分析，以便采取科學的保護措施，達到延緩結(jié)構(gòu)損傷進程，延長結(jié)構(gòu)壽命的目的[1]。

目前，對古建筑安全現(xiàn)狀的分析多依據(jù)現(xiàn)場檢測，并利用相關(guān)規(guī)范、標準，或結(jié)合模糊數(shù)學的原理建立安全評價體系進行定性分析。秦本東等參考相關(guān)規(guī)范對“義興公”商號門房建筑進行構(gòu)造性檢查，依據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果和《危險房屋鑒定標準》中房屋危險等級隸屬度函數(shù)計算結(jié)果，認為該古建筑處于較危險狀態(tài)，并提出了針對性的加固建議[2]。李玲嬌等根據(jù)木結(jié)構(gòu)古建筑和磚石結(jié)構(gòu)古建筑的結(jié)構(gòu)組成，將結(jié)構(gòu)劃分為地基、基礎(chǔ)和上部3個相對獨立的結(jié)構(gòu)，利用模糊數(shù)學原理建立古建筑的模糊綜合評價模型，并通過工程實例驗證了模型的可行性[3-5]。

文獻[2]采用定性的方法對“義興公”商號門房建筑進行了安全評價。本文將采用定量的方法對“義興公”商號門房建筑進行深入研究，利用ANSYS有限元軟件對建筑物進行數(shù)值計算，根據(jù)受力和變形特征，對其安全現(xiàn)狀進行分析。

1 工程概況

“義興公”商號位于禹州市神垕古鎮(zhèn)望嵩寨內(nèi)，建于明清時期。商號門房建筑長16 m，寬6.6 m，建筑面積約為105.6 m2。房屋四面墻體下部由料石砌筑，上部由青磚砌筑。屋內(nèi)墻體白灰抹面，屋外墻體為清水墻，外觀整潔。屋內(nèi)設(shè)有4榀抬梁式木構(gòu)架，屋蓋梁架一端由木柱支撐，另一端由墻體支撐，屋頂形式為硬山頂(圖1)，是一座典型的明清硬山抬梁式古建筑[6-7]。

圖1 “義興公”商號門房建筑屋內(nèi)圖片

2 有限元建模

“義興公”商號門房建筑采用抬梁式木構(gòu)架與墻體混合承重，木構(gòu)架材料為當?shù)氐纳寄?。為了充分利用木材的承載力，直接將完整的杉木主干做成跨度為5 m的主柁梁。由于木材的天然撓曲，在現(xiàn)場檢測到的木梁撓曲度和木柱彎曲度不完全是由受力造成的，故木柱彎曲變形、木梁撓曲變形、木構(gòu)架傾斜以及墻體變形和承載力這些指標需要借助于數(shù)值計算來獲得。

2.1 構(gòu)件及節(jié)點的有限元實現(xiàn)

“義興公”商號門房建筑采用抬梁式木構(gòu)架與磚石墻體混合承重，木質(zhì)的梁、柱以及磚石砌筑的墻體是重要的承重構(gòu)件。梁柱節(jié)點采用榫卯連接方式，這是一種半剛性節(jié)點，兼具剛節(jié)點和鉸節(jié)點的力學特性[8-9]。

商號門房建筑的柁梁、瓜柱以及木柱等木構(gòu)件采用Beam188單元進行模擬，利用Matrix27矩陣單元實現(xiàn)榫卯節(jié)點的計算。根據(jù)磚石墻體的三維實體特征，用Solid65單元來對磚石墻體進行數(shù)值計算。

2.2 木構(gòu)件力學參數(shù)的選取

木材是典型的各向異性材料，不同方向的力學性能存在較大差異。古建筑建造時充分利用木構(gòu)件順紋方向的力學性能，主要承受軸力和彎矩的作用。因此在進行數(shù)值計算時，木材的力學參數(shù)可按照順紋方向的力學參數(shù)選取。“義興公”商號門房建筑在建造過程中選用了當?shù)氐纳寄咀鳛槟竟羌懿牧?，由于古建筑作為一類特殊的文物，不能采用試驗的方式獲得現(xiàn)有木材的力學參數(shù)，故按照相關(guān)規(guī)范[10]選取杉木的力學參數(shù)，具體如表1所示。

表1 杉木的力學參數(shù)

木材種類和使用時間都是影響木材力學性能的重要因素。古建筑建造至今已經(jīng)有上百年的歷史，建筑材料的性能會隨時間增長逐漸降低，尤其是木材這種纖維材料，必須考慮木質(zhì)老化的影響。根據(jù)有關(guān)資料[11]對木材的各項力學參數(shù)進行折減。不同使用年限的各項力學參數(shù)調(diào)整系數(shù)如表2所示。

表2 木材力學參數(shù)調(diào)整系數(shù)

2.3 墻體材料力學參數(shù)的選取

“義興公”商號門房建筑的兩面山墻以及房屋的橫墻都為承重墻體，這四面墻體都是由下部毛石和上部青磚混合砌筑而成。該建筑修建于明清時期，當時的燒結(jié)磚與現(xiàn)在燒結(jié)磚的力學性能有較大差別，因此，在神垕老街古房屋改造過程中隨機選取20塊明清古磚進行試驗(圖2)。

圖2 抗壓試驗

試驗結(jié)果表明，古磚的平均抗壓強度為11.44 MPa，其變異系數(shù)δ=0.15，古磚試樣強度達到MU10標準。根據(jù)試驗結(jié)果和現(xiàn)場檢測情況，參閱相關(guān)文獻[12]獲得墻體與基礎(chǔ)的力學參數(shù)見表3。

表3 墻體與基礎(chǔ)的物理參數(shù)

2.4 屋蓋荷載的選取

神垕古鎮(zhèn)古建筑屋蓋構(gòu)筑方式為：首先在設(shè)置好的檁條上部垂直布置椽條，然后在檁條上部平擺青瓦望板，為了保護望板和椽條，同時起到防雨隔熱的作用，在望板上部做苫背處理(做苫背處理時首先鋪20 mm厚護板灰，然后做100～150 mm厚的灰泥背白灰，最后做一層10 mm厚的青灰背)，最后鋪瓦灰漿，平鋪小瓦，做屋脊形成完整的古建筑屋蓋結(jié)構(gòu)。古建筑屋頂一般禁止上人，故在進行活荷載取值時不做人員荷載的考慮，屋面活荷載取值為0.5 kN/m2。根據(jù)屋蓋結(jié)構(gòu)的做法并結(jié)合相關(guān)規(guī)范[13]計算得到屋蓋結(jié)構(gòu)各自重荷載在水平投影面的等效荷載值見表4。

表4 屋蓋結(jié)構(gòu)的自重荷載 kN/m2

2.5 有限元模型

在木構(gòu)架的制作過程中直接選用杉木的主干制作，同一木構(gòu)件實際測量的尺寸在不同位置是不同的，但相差不大。為方便數(shù)值計算與建模，將構(gòu)件的尺寸和形狀進行簡化，主要木構(gòu)件尺寸見表5。

表5 主要木構(gòu)件尺寸 mm

木構(gòu)架主要是由木柱、柁梁和瓜柱構(gòu)成，木柱與木梁構(gòu)件間采用榫卯的連接方式連接。不同于鉸接點和剛性節(jié)點，這些榫卯節(jié)點既能夠產(chǎn)生一定的變形，又能夠承擔一定的彎矩，是典型的半剛性節(jié)點。木構(gòu)架的計算模型如圖3所示。

(a)木構(gòu)架簡化模型

(b)木構(gòu)架力學計算模型圖3 木構(gòu)架計算模型

在實測尺寸的基礎(chǔ)上，以房屋進深方向為x軸，房屋高度方向為y軸，開間方向為z軸建立木骨架和承重墻體的有限元模型(圖4)。

圖4 有限元計算模型

3 有限元計算

借助ANSYS有限元軟件對門房建筑在正常使用條件下的變形和受力規(guī)律進行計算，分析建筑的安全現(xiàn)狀。

3.1 變形計算

對正常使用狀態(tài)下古建筑的變形進行計算，得到木構(gòu)架和承重墻體變形的計算云圖(圖5)。

(a)木骨架x向位移云圖 (b)木骨架y向位移云圖

(c)木骨架z向位移云圖 (d)墻體x向位移云圖

(e)墻體y向位移云圖 (f)墻體z向位移云圖圖5 變形云圖

由數(shù)值計算結(jié)果可知，木骨架的x向最大位移發(fā)生在明間下金檁的跨中位置，最大位移量為9.3 mm，而木柱x向最大位移量為2.6 mm。木骨架y向最大位移發(fā)生在明間檁條跨中位置，位移量為62.77 mm，這主要是由明間開間尺寸較大造成的。主柁梁的y向最大位移量為25.89 mm，發(fā)生在跨中附近。木骨架z向最大位移發(fā)生在明間兩側(cè)主柁梁跨中附近，且主柁梁向外變形。單榀木骨架中主柁梁z向最大位移量為6.31 mm，兩榀木骨架主柁梁相對位移量為12.62 mm，與實際檢測結(jié)果吻合。

由墻體的x向位移云圖可知，房屋的兩面橫墻受屋蓋荷載的作用而向外側(cè)偏移，臨街一側(cè)墻體最大x向位移量為4.88 mm，另一面橫墻x向最大位移量為5.38 mm。兩面山墻因為在x方向的尺寸較大，抗側(cè)剛度較大，使得這兩面墻體x向位移量較小。墻體門窗開洞上方墻體的y向位移量最大，最大豎向位移量為1.13 mm。房屋的兩面山墻的變形主要是沿著z向發(fā)生，兩側(cè)山墻向內(nèi)側(cè)偏移，最大偏移量不足1 mm，位移量很小，這與現(xiàn)場勘查結(jié)果較一致。

依據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，結(jié)合文獻[14-16]的評定標準，對梁、柱以及墻體構(gòu)件的外觀變形量進行評估發(fā)現(xiàn)，各變形量都在規(guī)定范圍內(nèi)，房屋結(jié)構(gòu)處于相對較好的工作狀態(tài)。

3.2 內(nèi)力計算分析

門房的明間開間尺寸較大，使得兩側(cè)木骨架受力較大。經(jīng)數(shù)值計算后，提取房屋西側(cè)第三榀木骨架應力圖和墻體應力云圖，見圖6。

(a)木骨架彎矩云圖 (b)木骨架軸力云圖

(c)墻體x向應力云圖 (d)墻體y向應力云圖

(e)墻體z向應力云圖 (f)墻體最小主應力云圖圖6 應力云圖

由數(shù)值計算結(jié)果可知，柱腳處彎矩值為零，這是木柱柱腳與柱礎(chǔ)之間采用鉸結(jié)的連接形式造成的；主柁梁一端采用榫卯結(jié)構(gòu)與木柱連接，另一端支撐在墻體上，主柁梁與墻體連接處的彎矩值也接近于零，這主要是墻體對主柁梁的嵌固作用較弱造成的。木骨架在梁柱節(jié)點處的彎矩值為8.24 kN·m。分析軸力云圖可知，脊瓜柱受力最大值為17.53 kN，瓜柱受力最大值為56.90 kN，木柱受力最大值為83.15 kN。

依據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，進一步計算得到木柱和木梁的截面正應力分別為3.31 MPa和3.09 MPa。它們分別小于木材的順紋抗壓強度(8.5 MPa)和順紋抗拉強度(6.0 MPa)，故木骨架受力處于安全狀態(tài)。

因為墻體是重要的豎向受壓構(gòu)件，因此需要分析墻體y向應力和最小主應力。檁條在山墻支撐處產(chǎn)生的豎向應力最大(0.71 MPa)。在上部荷載的作用下，基礎(chǔ)最大壓應力為0.28 MPa，同時在基礎(chǔ)底面產(chǎn)生的最大壓應力為0.12 MPa。根據(jù)最小主應力云圖可知，木構(gòu)架在墻體支撐部位都產(chǎn)生了應力集中現(xiàn)象，最大值為0.72 MPa，應力值雖然小于墻體的最大抗壓強度，但在現(xiàn)場勘查過程中發(fā)現(xiàn)，檁條在山墻支撐處因未設(shè)置墊板而造成墻體局部受壓開裂。

綜上所述，結(jié)構(gòu)墻體構(gòu)件處于安全工作狀態(tài)，滿足正常使用要求，墻體部分不存在承載力不足的隱患。綜合考慮墻體和木骨架的受力狀況可知，結(jié)構(gòu)整體都處于良好的受力狀態(tài)，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

4 結(jié) 論

利用ANSYS有限元軟件對“義興公”商號門房建筑進行數(shù)值計算，分析木骨架與墻體結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力規(guī)律得到以下結(jié)論：

(1) 木骨架中單構(gòu)件的變形值、墻體的變形量都在正常范圍內(nèi)。

(2) 木柱和木梁的截面正應力分別小于木材的最大抗壓強度(8.5 Mpa)和最大抗拉強度(6.0 MPa)，木骨架受力處于安全狀態(tài)。

(3) 木構(gòu)件的跨中部位變形量較大，主柁梁和檁條在墻體支撐處產(chǎn)生了應力集中，這些部位都屬于薄弱部分，在修繕過程中需要進行重點加固修繕。