上海近代历史建筑结构材料力学性能研究∗

郑士举

（上海市建筑科学研究院有限公司上海市工程结构安全重点实验室，上海 200032）

0 引言

上海自19 世纪40 年代开埠以来，中西方建筑文化逐渐融合，建造了大量优秀的近代历史建筑并保留至今。 上海的近代建筑遗产大多为西式建筑或中西合璧的建筑风格，在结构用材和结构形式上也紧跟西方的潮流，很多刚出现的结构材料如钢筋混凝土、钢材等也很快在上海得到了推广应用。 在当时的公共租界，上海工部局也制定了相应的建筑规则来规范建造活动。 1914—1916 年，上海工部局制订了公共租界建筑法规，其中首次纳入了《钢筋混凝土规则》和《钢结构规则》［1］。

材性检测是历史建筑安全性评估的前提之一，但限于技术手段和现场条件，往往不能充分检测历史建筑的结构材料力学性能，导致材性信息不详，影响后续鉴定评估。 目前，对于上海近代历史建筑的结构材性特征和规律尚无相关研究，本文结合历史文献资料和工程实践，对上海近代历史建筑的主要结构材料进行梳理，探索材料力学性能的规律和当时的时代特征，可供历史建筑检测评估和修缮设计参考。

1 混凝土

19 世纪末期，混凝土在上海逐渐得到应用，至20 世纪20 年代，已成为主要结构材料之一。 近代历史建筑中的混凝土在当时尚无明确的强度等级概念，控制混凝土强度主要通过控制容积配合比和水灰比，容积配合比即水泥、黄砂、石子容积比，最常用的为1 ∶2 ∶4。 对混凝土强度要求更高的，则采用1 ∶1.5 ∶3 或1 ∶1 ∶2。 同时对水灰比采用经验比例进行控制，有更高要求时，进行试块试验以保证混凝土的质量［2］。

水泥含量越高、水灰比越小、龄期越大的混凝土强度越高。 以常用配合比1 ∶2 ∶4 为例，203mm×406mm 的圆柱体试样，龄期1 周后，其抗压强度能达到1 200Psi（约8.3MPa），4 周后能达到2 000Psi（约13.8MPa），4 个月后能达到3 000Psi （约20.7MPa）， 12 个月后能达到 3 500Psi （ 约24.1MPa）［2］。 一般情况下，以28d 为标准龄期。

笔者对上海地区近代混凝土结构的材料强度进行了统计分析，结果表明，上海地区近代钢筋混凝土建筑中，绝大多数建筑的混凝土强度可以达到14MPa 以上，即可以达到1 ∶2 ∶4 的混凝土28d 抗压强度，多数强度等级在C15 ～C20，个别可以达到C25，这一统计结果与当时的设计情况基本吻合。部分典型建筑的混凝土强度实测结果如表1 所示。

表1 典型近代混凝土结构实测混凝土强度等级Table 1 Measured concrete strength of typical modern concrete structures

当时的结构设计采用容许应力法，1916 年发布的《钢筋混凝土规则》［3］中对混凝土的容许应力规定如下：混凝土的许可应力，除长柱另有规定外，不超过表2 中的数值［3］。 表2 中的直接抗压可理解为轴心抗压，梁及楼板边缘压力可以理解为受弯构件的受压边缘应力。 抗压容许应力约取试块28d 抗压强度的1／3。 轴心受压柱的混凝土抗压容许应力还应根据柱的长细比进行折减。

表2 近代混凝土结构混凝土容许应力Table 2 Allowable concrete stress of modern concrete structure

2 钢筋

近代混凝土建筑中的钢筋形状以圆形或方形为主，也有扁钢、扭钢、双扭钢筋（俗称麻花钢）等形状。 钢筋多从欧美进口，德国进口的多为光面钢筋（plain bar），美国进口的多为带肋钢筋，俗称“竹节钢”（corrugated bar）［2］。

上海工部局制订的《钢筋混凝土规则》［3］主要参考了当时西方国家的设计规范，其中以美国和英国为主。 关于钢筋，美国材料实验协会ASTM 于1911 年和1913 年分别制定了针对坯钢和轨钢的钢材标准A15 和A16，A15 规定的钢筋强度如表3 所示［4］。 同一时期的英国规范对钢筋强度的要求与美国不尽一致，但基本在相近的强度水准内。

表3 中建筑钢、中级钢和硬钢均属于碳钢，区别在于含碳量的不同，含碳量越高，钢材越硬，强度越高，但同时更脆，断后伸长率降低，所以硬钢极少用于建筑结构。 1948 年出版的《简明钢骨混凝土术》［5］中提到钢筋有软硬之分，硬钢性质较脆而强度高，容易发生结构脆性破坏，结构中以用软钢为佳。 可见，近代混凝土结构采用建筑钢或软钢比较普遍，但从检测实践看不能认为全部采用建筑钢。

从笔者搜集到的近代建筑钢筋强度拉伸试验结果看［4］，有相当部分钢筋的屈服强度和抗拉强度均达到了中级钢的要求。 对历史建筑进行安全性评估时，目前习惯于把历史建筑中的钢筋强度评为HPB235 级，对于采用了较高强度钢筋的结构来说偏保守，可能带来一些不必要的加固。 但仅从外表无法区分强度等级，研究表明采用里氏硬度法判断历史建筑中的钢筋强度等级是可行的［4］。

关于扭钢和双扭钢筋，在少量建筑中也有使用，典型案例如图1，2 所示。 美国规范对冷扭钢筋屈服强度最小值的要求是379MPa，英国规范对双扭钢筋屈服强度的最小值要求是372MPa，基本一致。根据美伦大楼的钢筋取样检测结果，扭钢屈服强度很高，达到450MPa，但断后伸长率平均值仅为12%，这与扭钢含碳量高及冷扭工艺有关，导致钢筋材性较脆。 在承载力验算时，对于扭钢，考虑到钢筋较脆，不可充分利用其钢筋强度，尤其从抗震角度看，采用这种钢筋是很不利的。 当时的英美规范规定扭钢的容许应力与中级钢一致，如表4 所示，因此对扭钢的强度等级取值建议按中级钢取。

“银行”里存的不是钱,而是粮食；“存折”里存的不是钱数,而是粮食持有数,这就是山西省晋中市祁县创立的“粮食银行”。祁县是曾经以“票号”汇通天下的晋商故里,如今活跃着一群“新晋商”，他们奔波在庄稼汉与庄稼地之间,拿着“粮食银行”这一钥匙,凭信用赢支持,拿价格作引导,提档升级谋创新,成为粮食收购市场的一抹亮色。

图2 上海四川大楼中的双扭钢筋Fig.2 Double twisted steel bar in Sichuan Mansion in Shanghai

表4 近代相关国家规范钢筋容许应力取值Table 4 Allowable steel bar stress in codes of relevant countries in modern times

3 砌体

砖的制作在中国已有很长的历史，但中国传统建筑中常用的是青砖，尺寸不同于欧洲的红砖，上海开始生产欧洲式红砖大约是在1858 年，中国传统青砖在尺寸上也开始转向与红砖相同的尺寸。 从19 世纪80 年代到20 世纪初，维多利亚风格清水砖墙的立面处理手法大量出现，上海西式建筑进入一个以清水砖墙为主要特征的发展阶段［6］。

黏土砖有土窑砖和机制砖之分，机制砖的质量较好。 上海近代建筑中常用砖的规格有足二五十砖（长250mm）、95 砖（长240mm）、85 砖（长216mm）等［7］。 根据《中国工程师手册》，美国材料试验协会曾对砖的强度进行分级［8］，如表5 所示。

表5 《中国工程师手册》中砖强度等级Table 5 Grade of brick strength in Chinese engineer manual

在早期民居中砌墙的砂浆常用烂泥石灰，一般用1 份石灰＋8 份泥土配制而成，这种砂浆强度很低，约为0.4MPa。 在后期石库门里弄民居和新式里弄民居中，多采用石灰砂浆和水泥砂浆。 《上海市建筑规则》中规定砖墙采用灰砂（1 份石灰、2 份砂）或黄砂水泥（1 份水泥、3 份黄砂）砌筑［3］。 上海工部局1901 年公布的中式房屋的设计规则《公共租界工部局中式新房建造章程》［9］中规定，砖墙采用1份优质石灰和3 份砂子合成的砂浆砌合平整。 1 ∶3的石灰黄砂，相当于10 号砂浆（1MPa），1 ∶3 的水泥砂浆，相当于50 号砂浆（5MPa）［10］。

根据1937 年颁布的《上海市建筑规则》［3］，砖墙的容许抗压能力如表6 所示。

表6 《上海市建筑规则》规定的砖墙抗压能力Table 6 Compressive capacity of brick wall specified in Shanghai building code

4 钢材

钢结构在上海的应用始于19 世纪末、20 世纪初，最初用于桥梁，现存最早的钢桥当属1908 年建成的外白渡桥。 1913 年所建的上海杨树浦电厂一号锅炉房是中国近代最早的钢结构建筑。 1916 年，公和洋行在上海的首个作品——7 层的外滩天祥洋行大楼（后称有利大楼）率先使用了钢框架结构，标志着钢结构作为主体结构被应用于多、高层民用建筑［11］。

建筑工程中用的钢有软硬2 种，硬钢中含碳量为0.6%～1.7%，软钢中含碳量为0.04%～0.6%［7］。工程应用中一般为软钢。 软钢的抗拉强度约40kN／cm2，容许应力约12kN／cm2。

当时中国的钢材主要从欧美进口，因此笔者查阅了美国的相关规范，对20 世纪早期钢结构的应用和材料强度进行了调研。 FEMA274［12］中对钢结构的发展历史和强度有过论述，至20 世纪初，钢取代铸铁和锻铁，在建筑用金属材料中已占据主要地位。 老旧钢结构中所用的钢材为软钢，屈服强度在30～36ksi（207～248MPa）。

表7 《上海市建筑规则》规定的钢铁材料容许应力Table 7 Allowable stresses of steel materials specified in Shanghai building code

《中国工程师手册》［8］中规定的碳钢强度和布氏硬度如表8 所示［8］。

表8 《中国工程师手册》规定的碳钢强度Table 8 Carbon steel strength as specified in Chinese engineer manual

从上述资料中可以看出，20 世纪上半叶我国所用的结构钢材主要为软钢，属于碳素结构钢，从强度级别上看，与现在的Q235 基本相当，因此对于历史建筑中的钢结构，钢材强度级别取Q235 是有充分依据的。 但从表8 中可以看出，对铆钉的承载力进行验算时，铆钉钢材的屈服强度标准值取值不应超过172MPa。

5 木材

上海本地不产木材，19 世纪主要从浙江、安徽、江西、湖南通过内河运输木材到上海，福建地区也有建筑木材通过海运至宁波再转运至上海，所运木材主要为中国南方产的杉木［9］。 因此，早期石库门房屋中所用的木材主要为杉木。

至1910 年，北美的木材大量进入中国，其中进口最多的是花旗松，俗称洋松或俄勒冈松（Oregon pine），洋松主要产于北美洲太平洋沿岸。 在后期石库门房屋和花园住宅中，桁条、屋架、搁栅、地板等均广泛采用洋松，洋松为这一时期建房普遍采用的木材［9］。 据《上海住宅建设志》［13］，早期石库门建筑中（1910 年前）立帖式砖木结构中楼搁栅用杉木，上铺杉木板。 在后期石库门住宅中（1910—1919年），楼搁栅由杉木改用洋松，楼板铺洋松企口板。由此可得出一个基本判断，早期石库门建筑中的结构用木材主要为杉木，强度等级可取GB 50005—2017《木结构设计标准》中的TC11A。 花园住宅和后期石库门建筑中的结构用木材主要为花旗松，强度等级可取《木结构设计标准》中的TC15A。 木材树种的精确判断和材料力学性能的精确检测仍然需要取样检测。

6 结语

上海地区近代历史建筑结构主材的材料力学性能是有规律可循的，通过对历史文献资料和既往工程实践进行调研可得到以下结论。

1）上海地区近代钢筋混凝土建筑中绝大多数建筑的混凝土强度可以达到14MPa 以上，多数强度等级在C15～C20，个别可以达到C25。

2）近代混凝土建筑中的钢筋类型多样，以建筑钢（相当于HPB235）应用最广，但强度更高的钢筋也有应用。

3）历史建筑中承重墙用砖有青砖和红砖之分，砌筑砂浆有烂泥石灰、石灰砂浆、水泥砂浆等多种，石灰砂浆应用最广。 目前，关于青砖和石灰砂浆的无损检测方法尚不完善，需进一步研究解决。

4）近代历史建筑中的结构钢材主要为软钢，属于碳素结构钢，强度与现在的Q235 相当。

5）早期石库门建筑中的结构用木材主要为杉木，花园住宅和后期石库门建筑中的结构用木材主要为花旗松。