“义兴公”商号门房安全现状与损伤分析

李 泉， 祝林涛， 宁 陟， 夏 剑

(中建七局建筑装饰工程有限公司， 河南 郑州 450000)

中国古建筑作为中华民族悠久历史文化的传承，具有重要的价值。神垕古镇作为第一批中国特色小镇，有着多种类型的古建筑。经过千百年的风雨洗礼，古建筑的各种性能逐渐衰退，有些甚至成为危险建筑。对现存的优秀古建筑有必要进行准确的损伤评估和安全现状分析，以便采取科学的保护措施，达到延缓结构损伤进程，延长结构寿命的目的[1]。

目前，对古建筑安全现状的分析多依据现场检测，并利用相关规范、标准，或结合模糊数学的原理建立安全评价体系进行定性分析。秦本东等参考相关规范对“义兴公”商号门房建筑进行构造性检查，依据现场勘查结果和《危险房屋鉴定标准》中房屋危险等级隶属度函数计算结果，认为该古建筑处于较危险状态，并提出了针对性的加固建议[2]。李玲娇等根据木结构古建筑和砖石结构古建筑的结构组成，将结构划分为地基、基础和上部3个相对独立的结构，利用模糊数学原理建立古建筑的模糊综合评价模型，并通过工程实例验证了模型的可行性[3-5]。

文献[2]采用定性的方法对“义兴公”商号门房建筑进行了安全评价。本文将采用定量的方法对“义兴公”商号门房建筑进行深入研究，利用ANSYS有限元软件对建筑物进行数值计算，根据受力和变形特征，对其安全现状进行分析。

1 工程概况

“义兴公”商号位于禹州市神垕古镇望嵩寨内，建于明清时期。商号门房建筑长16 m，宽6.6 m，建筑面积约为105.6 m2。房屋四面墙体下部由料石砌筑，上部由青砖砌筑。屋内墙体白灰抹面，屋外墙体为清水墙，外观整洁。屋内设有4榀抬梁式木构架，屋盖梁架一端由木柱支撑，另一端由墙体支撑，屋顶形式为硬山顶(图1)，是一座典型的明清硬山抬梁式古建筑[6-7]。

图1 “义兴公”商号门房建筑屋内图片

2 有限元建模

“义兴公”商号门房建筑采用抬梁式木构架与墙体混合承重，木构架材料为当地的杉木。为了充分利用木材的承载力，直接将完整的杉木主干做成跨度为5 m的主柁梁。由于木材的天然挠曲，在现场检测到的木梁挠曲度和木柱弯曲度不完全是由受力造成的，故木柱弯曲变形、木梁挠曲变形、木构架倾斜以及墙体变形和承载力这些指标需要借助于数值计算来获得。

2.1 构件及节点的有限元实现

“义兴公”商号门房建筑采用抬梁式木构架与砖石墙体混合承重，木质的梁、柱以及砖石砌筑的墙体是重要的承重构件。梁柱节点采用榫卯连接方式，这是一种半刚性节点，兼具刚节点和铰节点的力学特性[8-9]。

商号门房建筑的柁梁、瓜柱以及木柱等木构件采用Beam188单元进行模拟，利用Matrix27矩阵单元实现榫卯节点的计算。根据砖石墙体的三维实体特征，用Solid65单元来对砖石墙体进行数值计算。

2.2 木构件力学参数的选取

木材是典型的各向异性材料，不同方向的力学性能存在较大差异。古建筑建造时充分利用木构件顺纹方向的力学性能，主要承受轴力和弯矩的作用。因此在进行数值计算时，木材的力学参数可按照顺纹方向的力学参数选取。“义兴公”商号门房建筑在建造过程中选用了当地的杉木作为木骨架材料，由于古建筑作为一类特殊的文物，不能采用试验的方式获得现有木材的力学参数，故按照相关规范[10]选取杉木的力学参数，具体如表1所示。

表1 杉木的力学参数

木材种类和使用时间都是影响木材力学性能的重要因素。古建筑建造至今已经有上百年的历史，建筑材料的性能会随时间增长逐渐降低，尤其是木材这种纤维材料，必须考虑木质老化的影响。根据有关资料[11]对木材的各项力学参数进行折减。不同使用年限的各项力学参数调整系数如表2所示。

表2 木材力学参数调整系数

2.3 墙体材料力学参数的选取

“义兴公”商号门房建筑的两面山墙以及房屋的横墙都为承重墙体，这四面墙体都是由下部毛石和上部青砖混合砌筑而成。该建筑修建于明清时期，当时的烧结砖与现在烧结砖的力学性能有较大差别，因此，在神垕老街古房屋改造过程中随机选取20块明清古砖进行试验(图2)。

图2 抗压试验

试验结果表明，古砖的平均抗压强度为11.44 MPa，其变异系数δ=0.15，古砖试样强度达到MU10标准。根据试验结果和现场检测情况，参阅相关文献[12]获得墙体与基础的力学参数见表3。

表3 墙体与基础的物理参数

2.4 屋盖荷载的选取

神垕古镇古建筑屋盖构筑方式为：首先在设置好的檩条上部垂直布置椽条，然后在檩条上部平摆青瓦望板，为了保护望板和椽条，同时起到防雨隔热的作用，在望板上部做苫背处理(做苫背处理时首先铺20 mm厚护板灰，然后做100～150 mm厚的灰泥背白灰，最后做一层10 mm厚的青灰背)，最后铺瓦灰浆，平铺小瓦，做屋脊形成完整的古建筑屋盖结构。古建筑屋顶一般禁止上人，故在进行活荷载取值时不做人员荷载的考虑，屋面活荷载取值为0.5 kN/m2。根据屋盖结构的做法并结合相关规范[13]计算得到屋盖结构各自重荷载在水平投影面的等效荷载值见表4。

表4 屋盖结构的自重荷载 kN/m2

2.5 有限元模型

在木构架的制作过程中直接选用杉木的主干制作，同一木构件实际测量的尺寸在不同位置是不同的，但相差不大。为方便数值计算与建模，将构件的尺寸和形状进行简化，主要木构件尺寸见表5。

表5 主要木构件尺寸 mm

木构架主要是由木柱、柁梁和瓜柱构成，木柱与木梁构件间采用榫卯的连接方式连接。不同于铰接点和刚性节点，这些榫卯节点既能够产生一定的变形，又能够承担一定的弯矩，是典型的半刚性节点。木构架的计算模型如图3所示。

(a)木构架简化模型

(b)木构架力学计算模型图3 木构架计算模型

在实测尺寸的基础上，以房屋进深方向为x轴，房屋高度方向为y轴，开间方向为z轴建立木骨架和承重墙体的有限元模型(图4)。

图4 有限元计算模型

3 有限元计算

借助ANSYS有限元软件对门房建筑在正常使用条件下的变形和受力规律进行计算，分析建筑的安全现状。

3.1 变形计算

对正常使用状态下古建筑的变形进行计算，得到木构架和承重墙体变形的计算云图(图5)。

(a)木骨架x向位移云图 (b)木骨架y向位移云图

(c)木骨架z向位移云图 (d)墙体x向位移云图

(e)墙体y向位移云图 (f)墙体z向位移云图图5 变形云图

由数值计算结果可知，木骨架的x向最大位移发生在明间下金檩的跨中位置，最大位移量为9.3 mm，而木柱x向最大位移量为2.6 mm。木骨架y向最大位移发生在明间檩条跨中位置，位移量为62.77 mm，这主要是由明间开间尺寸较大造成的。主柁梁的y向最大位移量为25.89 mm，发生在跨中附近。木骨架z向最大位移发生在明间两侧主柁梁跨中附近，且主柁梁向外变形。单榀木骨架中主柁梁z向最大位移量为6.31 mm，两榀木骨架主柁梁相对位移量为12.62 mm，与实际检测结果吻合。

由墙体的x向位移云图可知，房屋的两面横墙受屋盖荷载的作用而向外侧偏移，临街一侧墙体最大x向位移量为4.88 mm，另一面横墙x向最大位移量为5.38 mm。两面山墙因为在x方向的尺寸较大，抗侧刚度较大，使得这两面墙体x向位移量较小。墙体门窗开洞上方墙体的y向位移量最大，最大竖向位移量为1.13 mm。房屋的两面山墙的变形主要是沿着z向发生，两侧山墙向内侧偏移，最大偏移量不足1 mm，位移量很小，这与现场勘查结果较一致。

依据数值计算结果，结合文献[14-16]的评定标准，对梁、柱以及墙体构件的外观变形量进行评估发现，各变形量都在规定范围内，房屋结构处于相对较好的工作状态。

3.2 内力计算分析

门房的明间开间尺寸较大，使得两侧木骨架受力较大。经数值计算后，提取房屋西侧第三榀木骨架应力图和墙体应力云图，见图6。

(a)木骨架弯矩云图 (b)木骨架轴力云图

(c)墙体x向应力云图 (d)墙体y向应力云图

(e)墙体z向应力云图 (f)墙体最小主应力云图图6 应力云图

由数值计算结果可知，柱脚处弯矩值为零，这是木柱柱脚与柱础之间采用铰结的连接形式造成的；主柁梁一端采用榫卯结构与木柱连接，另一端支撑在墙体上，主柁梁与墙体连接处的弯矩值也接近于零，这主要是墙体对主柁梁的嵌固作用较弱造成的。木骨架在梁柱节点处的弯矩值为8.24 kN·m。分析轴力云图可知，脊瓜柱受力最大值为17.53 kN，瓜柱受力最大值为56.90 kN，木柱受力最大值为83.15 kN。

依据数值计算结果，进一步计算得到木柱和木梁的截面正应力分别为3.31 MPa和3.09 MPa。它们分别小于木材的顺纹抗压强度(8.5 MPa)和顺纹抗拉强度(6.0 MPa)，故木骨架受力处于安全状态。

因为墙体是重要的竖向受压构件，因此需要分析墙体y向应力和最小主应力。檩条在山墙支撑处产生的竖向应力最大(0.71 MPa)。在上部荷载的作用下，基础最大压应力为0.28 MPa，同时在基础底面产生的最大压应力为0.12 MPa。根据最小主应力云图可知，木构架在墙体支撑部位都产生了应力集中现象，最大值为0.72 MPa，应力值虽然小于墙体的最大抗压强度，但在现场勘查过程中发现，檩条在山墙支撑处因未设置垫板而造成墙体局部受压开裂。

综上所述，结构墙体构件处于安全工作状态，满足正常使用要求，墙体部分不存在承载力不足的隐患。综合考虑墙体和木骨架的受力状况可知，结构整体都处于良好的受力状态，结构处于安全状态。

4 结 论

利用ANSYS有限元软件对“义兴公”商号门房建筑进行数值计算，分析木骨架与墙体结构的变形及内力规律得到以下结论：

(1) 木骨架中单构件的变形值、墙体的变形量都在正常范围内。

(2) 木柱和木梁的截面正应力分别小于木材的最大抗压强度(8.5 Mpa)和最大抗拉强度(6.0 MPa)，木骨架受力处于安全状态。

(3) 木构件的跨中部位变形量较大，主柁梁和檩条在墙体支撑处产生了应力集中，这些部位都属于薄弱部分，在修缮过程中需要进行重点加固修缮。