北京鼓楼结构安全检测方法的探索与实践

2021-06-12张纪平丁燕左艳杰任鹏飞杨永兴李雪莹孙淼

中国建筑金属结构 2021年5期

张纪平丁燕左艳杰任鹏飞杨永兴李雪莹孙淼

北京鼓楼始建于元代至元九年（即公元1272 年），当时位于在大都城（即今北京）的中心，后毁于火，元成宗大德元年（公元1297 年）重建后又毁于火。明永乐十八年（公元1420 年）重建鼓楼，其位于都城南北中轴线的最北端，是中轴线遗产要素的重要组成部分。

古建筑结构安全检测方法依据古建筑结构形式的不同存在多种方法。目前，建筑结构检测行业可以参考的行业标准包括2004 年版深圳地方标准《历史遗留建筑物结构安全性检测与鉴定指南》、2005 年版上海地方标准《既有建筑物结构检测与评定标准》（DG/TJ08-804-2005）、2009 年北京地方标准《房屋结构安全鉴定标准》（DB11/T637-2009）以及2011 年广东省地方标准《既有建筑物结构安全性检测鉴定技术标准》（DBJ/T15-86-2011），检测主要内容可归纳为现场检测、计算分析和鉴定评级三部分。考虑到古建筑结构的年久失修、多样性和复杂性等特点，古建筑结构安全检测应满足多种方法综合使用、无损性和文物建筑安全的基本要求，为更好地保护古建筑，迫切需要规范文物建筑检测鉴定行业的工作内容和工艺流程。

1.工程概况

北京鼓楼是一座单体木结构建筑，坐北朝南，为三重檐滴水木结构楼阁，楼身坐落在高约四米的砖石台基上。鼓楼下层为城台，城台外显面阔七间，进深五间，内部为拱券结构。鼓楼二层四面均有六抹方格门窗，四周有廊，带木护栏，望柱高1.55m。鼓楼三层为暗层，屋顶为灰筒瓦绿琉璃剪边、重檐歇山顶。

自20 世纪80 年代，北京鼓楼经历四次保护修缮工作，最近一次修缮是在2009 年，距今已过11 年。目前，鼓楼的大木结构已经出现局部明显变形并牵连到相关木构件，这种现象若持续恶化会造成安全隐患。如：檐柱沉降变形明显，北部檐柱的沉降变形突出，四周外檐斗栱倾斜外翻，平坐隐蔽部位木结构榫卯有松脱现象，首层屋檐局部变形，二层檐局部变形，屋面渗漏导致望板糟朽，三层（顶层）翼角出现局部变形。为验证鼓楼整体结构是否处于安全、稳定状态，故组织开展了鼓楼古建筑结构的安全检测工作，为后续修缮保护工作提供科学、全面的依据和技术支撑。

2.现场检测

2.1 检测技术路线

本次北京鼓楼古建筑结构安全检测工作采用现场检测、实验室试验、数值模拟综合分析的手法，以达到检测目的，三项工作同时推进、互为补充、互为验证，流程如图1 所示。

图1 检测工作流程

2.2 检测方法

2.2.1 现状测绘

现状测绘工作以满足古建筑结构检测为目标。主要测绘内容包括古建筑平立剖、建筑台明水准测量、城楼柱础石和平座标高测量、城台墙面鼓胀测量、梁枋挠曲测量、立柱倾斜和扭曲测量以及采集屋面瓦件影像采集。主要采用了三维激光扫描技术、水准测量技术和近景摄影测量技术等（图2）。

图2 城台墙面倾斜测量

2.2.2 地基和基础勘探

地基和基础勘探采用了地质雷达法、开挖探槽法和钻孔勘察法。为了查明地基和基础内部填充物的密实程度，采用无损地质雷达法；为查明城台基础埋深，采用开挖探槽法；为查明地层结构，采用钻孔勘察法，钻孔过程中采取土样进行室内土工试验，并进行标准贯入试验、重型动力触探等原位测试。

地质雷达探测是一种对地下或结构物内部不可见的目标体或分界面进行定位或判别的电磁波探测技术[2]（图3-4）。

图3 地质雷达探测原理示意图

2.2.3 城台砌体结构调查

城台台面大城砖病害采用人工调查方式，先绘制台面砖正投影像图，整体编号，再分区域进行调查，对病害种类、分布及面积进行统计分析，并绘制台面大城砖病害图；分析检测采用无损和微损检测。本次检测主要通过橡胶锤敲击和外观检测等方法，调查城台抹灰层的空鼓和开裂等缺陷的现状，为城台整体的安全性评价提供客观依据。

2.2.4 城台砌体结构地质雷达探测

图4 地基和基础地质雷达探测成果图

图5 超声波检测与成果图

砌体结构内部无损探伤主要采用地质雷达探测方法。对城台基础、城楼室内地面、平座和城墙墙面进行地质雷达探测。分别采用100MHz 和250MHz 封闭天线进行对比测试，以查明城台内部病害分布情况及城台地基基础病害发育情况。

2.2.5 木构件检测

2.2.5.1 构件裂缝分布检测

以柱裂缝为例介绍裂缝分布检测的步骤：首先，观察柱身裂缝分布，选出较为显著的裂缝，对其进行编号，并贴上明显标识。然后，拍摄东、南、西、北四个方向的柱身整体照片。此做法主要是为了标注裂缝在柱身的具体位置。接着，按照编号依次测量柱身裂缝的宽度和深度，并拍摄相应图片。最后，拍照记录柱头、柱脚的节点形式。

2.2.5.2 榫卯节点拔榫检测

为获取关键位置处梁柱榫卯节点的损伤情况信息，对榫卯节点变形情况进行了测量，包括梁、卯口和榫头的高、宽值，以及各个方向的榫卯间隙量和拔榫量。

2.2.6 大木结构无损检测

木构件外部损伤的检测，主要通过各种检尺检量其特征尺寸，记录其损伤位置，确定损伤程度；木构件内部损伤的检测，主要通过探伤仪器或设备确定内部损伤类型、损伤位置及损伤程度。城楼木构件材质状况勘察使用超声波、应力波以及阻抗仪等仪器或设备。

超声波裂缝检测：现场对20 根木柱的23 个侧面表面病害进行检测，表面病害主要为裂缝，检测参数为裂缝宽度及深度。

应力波检测：传统的木材质量检测大多采用人工方法，甚至需要将木材试样破坏后进行检测，检测效率和精度不高。与其它无损检测技术相比，应力波无损检测技术优点突出，主要针对树木内部缺陷的无损检测而设计，可以应用到古建筑木质结构的健康检测中。

应力、应变状态的变化以波的方式传播，称为应力波。应力波是应力和应变扰动的传播形式。在不破坏木材本身的前提下，使得木材产生应力波并在木材内部传播，通过测定应力波的时间，计算其传播速度，来评估木材腐朽、计算木材弹性模量的方法。

应力波法适用于构件全截面腐朽检测。木构件的腐朽面积精确测量宜采用阻力仪相结合检测方法，阻力仪法适用于距表面40mm 以上的深层腐朽检测，最大检测深度1000mm。

应力波扫描断面图：通过检测应力波在木材内部的传播时间，经波速计算并进行矩阵变换和图像重构后，显示的木材断面二维彩色图像。

区域颜色显示[3]：（1）绿色表示木质未腐损；（2）黄色表示木质轻度腐损；（3）红色表示木质重度腐损。

图6 应力波检测与成果图

图7 阻力仪检测与成果图

但是该图像受诸多因素影响，故其显示的缺陷大小存在一定的偏差。利用阻力仪对存在缺陷的木构件进行单路径上缺陷长度的修正，可获得更为准确的缺陷面积。

阻力仪检测：微钻阻力仪法是使用阻力仪将直径小于或等于1.5mm 的微型钻头钻入木材内部，根据钻头前进时遇到的阻力，判断木材的密度及内部腐朽、开裂、节疤等缺陷的一种非破坏性检测方法[4]。缺陷检测结果采用相对值表示，即用腐朽木材的阻力值相对于为未腐朽木材阻力值变化的百分比表示。

2.2.7 材料强度现场检测

2.2.7.1 砖强度检测

砖强度检测采用回弹法。回弹法是采用具有一定动能的重锤弹击介质表面，其动能将发生再分配，一部分能量以塑性变形或残余变形的形式为介质所吸收，而另一部分能量则反弹重锤。介质表面越紧密，硬度越大，给予重锤的反弹能量就越大。只要能测得回弹值的大小，就可以进一步确定介质表面的紧密程度与强度大小。

2.2.7.2 砂浆强度检测

砌筑用砂浆强度的现场检测方法有两种：回弹法和贯入法。回弹法测砂浆强度的原理与砌筑用砖测试基本相似，贯入法通过测定撞击探针贯入深度值来度量材料的硬度以表征材料抗压强度。由于回弹法用于离散较大的砂浆材料时具有更大的偏差，而贯入法较回弹法更真实准确地反映砂浆强度大小，数值更真实，因此鼓楼砌筑用砂浆采用贯入法对砂浆材料进行强度测试。

3.结构安全性数值分析

3.1 城台结构安全性数值分析

采用ABAQUS 有限元软件对鼓楼城台建立数值模型，首先进行模态分析，并分别进行静力作用和动力作用（振型分解反应谱方法、动力时程方法）和温度场作用计算及分析，为城台结构的鉴定评级提供依据。

3.1.1 材料参数

在材料参数选取方面，用砌体来模拟城台。由于鼓楼城台尚未进行钻芯取样，故进行有限元模拟时，将城台作为全砖砌体进行计算。具体材料参数依据历史检测资料，选用在现场检测校核后的检测结果。

3.1.2 边界条件

根据相关地质雷达扫描报告结论，鼓楼城楼四周地面下无明显空洞，因此在进行有限元建模时，不考虑土—基础—城台相互作用，将城台底部考虑成固接。

3.1.3 单元类型

采用C3D8 实体单元对城台进行模拟。

3.1.4 荷载、其它作用及其组合

依据《建筑结构荷载规范》（GB/50009-2012）和《建筑抗震设计规范》（GB/50011-2010），荷载及其它作用取值如下：

（1）恒荷载：砖的重量密度按20kN/m3考虑；

（2）活荷载：取 3.5kN/m2；

（3）风荷载：基本风压的重现期为50 年，基本风压为 0.45 kN/m2；

（4）雪荷载：基本雪压的重现期为50 年，基本雪压为 0.40kN/m2；

（5）地震作用：北京抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为 0.20g，设计地震第一组。对于鼓楼工程，设防类别按甲类建筑，地震作用提高一度，即按9 度计算。对于动力时程分析，选取3 条地震波（两条天然波和一条人工波），其中天然波为EL Centro波和天津波，人工波根据目标反应谱进行拟合。

（6）温度作用：考虑温升和温降两种工况，即工况一：温度从-20℃变化到54℃，工况二：温度从54℃变化到-20℃。

（7）荷载组合：主要考虑以下荷载组合工况：

1.2 恒+1.4 活；

1.2 恒+1.4 风；

1.2 恒+1.4×0.7 活+1.4×0.6 风；

1.2 （恒+0.5 活）+1.3 水平地震。

综合以上参数，建立数值模型。

3.1.5 计算分析

计算分析内容包括模态分析、静力计算分析、动力计算分析以及温度作用计算分析。其中，动力计算采用两种方法振型分解反应谱法和动力时程法。振型分解反应谱法：考虑材料的平均强度和最低强度，对城台在8 度多遇地震、8 度罕遇地震、9 度多遇地震、9 度罕遇地震作用下进行了刚度和承载力计算。动力时程法：选取EL-Centro 波、Kobe波和人工波，考虑材料的平均强度和最低强度，对城台在八度多遇地震、八度罕遇地震、九度多遇地震、九度罕遇地震作用下进行了动力时程分析。

3.2 城楼大木结构安全性数值分析

鼓楼大木构架分三个层次，即梁架层、斗拱层和柱额层。在静力作用下，安全可靠，构架设计符合力学原则和材料特性，设计构思严密、巧妙，是古代解决大体量大空间建筑的范例，既是对传统建筑的继承和发展，也是对传统建筑技术的重要贡献。

城楼木结构在长期使用过程中，不可避免地出现材料和构件退化，现场勘察发现城楼木结构的部分构件和节点出现不同程度的残损，构件和结构性能与建成初期存在难以预估的差别，这些都对结构的力学性能产生重要影响。与此同时，木结构的材料、节点、构件等离散性较大。有限元模型的可靠性是结构整体安全性能准确评估的基础。但是，由于材料的退化，以及构件和节点的复杂性，使得有限元分析中难以用简易、精确的单元或节点模拟真实结构，有限元模型常常与实际结构有一定偏差。因此，基于有限元软件ANSYS 分别建立城楼大木结构的理想化有限元模型（简称理想模型）及可以反映其现状的损伤有限元模型（简称损伤现状模型）。

基于相关标准、现场勘察与数值计算结果，分别对城楼大木结构的现状模型及理想模型在自重、自重及风荷载、地震作用下的有限元分析计算，给出各种工况和结构状态下的分析结果，并根据各类构件对整体结构的影响进行重要性分类。

4.结构安全性评估

4.1 城台砌体结构安全性评估

根据结构有限元验算和分析，北京鼓楼城台及楼体砌筑结构安全性评估分为两级：第一级评估以宏观控制和构造鉴定为主进行综合评估；第二级评估以承载能力验算为主结合构造及损伤等影响进行综合评估。第二级评估标准的评级结果不得高于第一级评估的评级结果。第二级安全性评估，按地基基础、上部承重结构划分为两个分部结构分别进行。地基基础的第二级评估按照地基承载能力和基础承载能力两个项目评定，并取其中较低等级作为地基基础分部结构的安全性等级；其中，上部承重结构的第二级评估按构件安全性进行评定。整体结构的第二级安全评估，根据其地基基础、上部承重结构和围护系统承重部分等的安全性等级，以及与整体建筑有关的其他安全问题进行评定。