古建筑结构材料安全性评估

古建筑结构材料安全性评估

在长期的自然条件（如风、雨、地震、温度等）下，重建房屋的材料和结构性能通常会发生很大变化，一些甚至崩溃。它被用作旅游和展览场所，其使用功能发生了变化。因此,对其安全性能进行评估是十分必要的。由于古建筑大多属于文物,故而不能采用破损或半破损检测等方法。无损检测方法主要有超声波法、冲击回波法、声发射法、红外线法、微波法和雷达法等,可难以直接应用于由砖、土、石等材料混合组成的城台类建筑,因此给出一种新的无损综合评估法以解决这类问题。即通过收集已有的相关资料和现场察看,运用推理、逻辑、对比等手段确定其结构组成构造和材料性能,然后基于可见的结构损伤状况以及相关的理论和工程经验,建立模型进行计算分析,最后由计算结果并结合宏观判定给出结构的安全性能。1结构构造组成材料无损综合评估法具体可分以下几个步骤:(1)表观检测:确定古建筑的尺寸、砌筑方法以及它的组成材料、结构传力路径和荷载分布情况;检查古建筑损伤状况,包括结构本身及其四周是否存在如开裂、凸出或凹陷等异常现象,以及其内部是否可能存在的如局部液化、滑移面和蚁巢等缺陷,并尽可能地判断产生这些损伤的原因,为其结构构造组成材料判定以及计算模型的建立提供直接依据。(2)确定结构构造和组成材料性能:查阅该古建筑及相近古建筑的资料,参考同期营造法式的有关规定,并辅以一些必要且可能的材料试验,获得其基本数据,然后综合已存在的损伤,偏安全地选用其材料性能数据作为计算依据、推断结构构件组合关系,以及确定此古建筑城台与周边环境间的约束关系等。(3)进行必要的简化,建立计算分析模型:确定影响结构性能的关键因素,并估算其他因素对计算精度可能的影响程度,合理地建立计算分析模型。(4)计算和分析:用大型有限元程序对上述模型进行计算,并结合工程经验和结构实际状况等对计算结果中的应力、变形及裂缝分布等情况进行分析,最后确定古建筑的安全性能。下面以故宫午门城台为例对这种评估方法进行系统介绍。2腰为国内模块结构午门建于585年前,由台基、城台和上部结构三部分组成。其平面和立面如图1,2所示。台基为束腰的石质须弥座,上部结构为木结构,荷载通过柱子传递到城台台面上。城台长126.92m,宽37.83m,高14.10m,中三门,左右各有一掖门。长期的自然条件作用使午门城台结构性能恶化,现还需要在城台上增建展览厅,作用荷载发生了较大变化。因此,对其安全性能加以评估是十分必要的。3园区安全性能评价3.1竖向裂缝已发生通过城台表观损伤检测及分析可看出,城台台面无明显开裂和凹凸;城台东北角存在沉降斜裂缝,但已基本稳定;城台西北角侧墙上部有因内填土膨胀产生的竖向裂缝,但不构成对结构安全性的影响,可采取措施限制其裂缝的开展;门洞顶部由于材料温度系数差异也有裂缝出现,但较轻微。可见,午门城台虽存在裂缝等损伤,但不会危及其安全性,建模中可据此进行必要的简化。3.2城侧墙砌体厚度根据城台两边的马道及其附近建筑的结构构造,并参考明代营造法式中此类建筑的做法可判定该城台由外围砖砌筑墙和内填土两部分构成,城台侧墙倾角约14度。城台外围砖砌体厚度由马道砖砌体厚度可推断其值不小于1.2m。城台内填土的组成缺乏文字记载,但资料表明这类城台内填土一般采用碎石和灰土相间分布且分层夯实的做法,其强度应比灰土高,可判定城台内填土至少应为分层夯实的灰土。对比其马道、广场及同期不同地区此类建筑的填土强度,这里偏安全地取为灰土强度。下面依据已有的资料给出城台砖砌体和内填土的本构关系和相关参数。3.2.1砖砌体应力应变关系砖砌体模型考虑断裂(沿三个正交方向)、压碎、塑性变形,以及几何非线性和材料非线性。强度准则参考混凝土的破坏准则,采用William-Warnke5参数模型。砖砌体的强度从同期古砖的实验强度推得,泊松比μ=0.1,密度ρ=2000kg/m3。砖砌体的单轴受压应力应变关系采用Wang建议的公式:式中:y=σc/fcm,x=εc/εcl;σc,εc分别为砖砌体压应力和相应的应变值;E0为初始抗压弹模,E0=420MPa;fcm,εcl,,Ecl分别为砖砌体的抗压强度及相应的峰值应变和割线模量,fcm=1MPa,εcl=0.003,Ecl=fcm/εcl;α为常数,并取α=2.5。砖砌体的单轴受拉应力应变关系采用两折线简化模型:式中:σt,εt分别为砖砌体拉应力和相应的应变值;E0t,ft,εck为初始抗拉弹模、抗拉强度及相应的峰值应变,取ft=fcm/10,εck=ft/E0t。3.2.2建筑物灰土强度内填土的破坏准则采用Drucker-Prager模型,其主要物理参数依据西安长乐门及该城台附近的古建筑灰土强度资料选用。初始弹性模量=171MPa,泊松比μ=0.347,无侧限时的抗压强度f0=0.8124MPa,密度ρ=2000kg/m3,粘聚力c=35kPa,内摩擦角φ=40°。3.3确定砖体材料性根据收集的资料,经过综合分析给出以下基本假定:1)不考虑已有各种损伤对于计算的影响;2)城台基础沉降已完成,其对城台的约束均匀;3)砖砌体受到外覆层保护,可认为其材性近似均匀;4)内填土均经过夯实处理,可假定其与外围砖砌体紧密接触;5)城台外围砖砌体的厚度偏安全地取1.2m。3.4断裂板及非线性最外层砖砌体用三维八节点的SOLID65体单元模拟,考虑到断裂(沿三个正交方向)、压碎、塑性变形以及非线性等情况;内填土用三维八节点的SOLID45单元模拟,以便考虑土体的塑性和可能出现的大变形等情况。4荷载组合工况下的理论分析作用于城台的荷载有城台自重、展厅自重、城楼传来的荷载以及活载和风载等。通过各种荷载组合工况下的计算和分析,其绝对值最大的内力、变形分别如表1,2所示。城台土体的最大应力绝对值表1城台的最大位移绝对值表2