太原市永祚寺无梁殿砖砌体材料特性及结构静力性能研究

李晋芳 王星毅 韩鹏举 王崇恩 梁月林

［1.太原市双塔博物馆，山西 太原 030045；2.太原理工大学土木工程学院，山西 太原 030024；3.太原理工大学建筑学院，山西 太原 030024；4.未名紫宸（山西）文化博物科技有限公司，山西 太原 030032］

仿木建筑在我国分布广泛，其中砖砌体无梁殿是分布较为广泛的一类仿木建筑，这类建筑一般由一座或数座筒拱纵联、并联和交叉组成，不设置梁构件。建筑采用青砖和石灰灰浆砌筑，整体结构不适用木材，因此这种形制的建筑防火性能优越。太原市永祚寺无梁殿是其中一个典型案例①，它始建于1599年，并于明清时期经过多次续建山门和禅堂，最终形成了太原市永祚寺现在的规模。大雄宝殿、三圣阁、东客堂、西禅堂是其主要建筑，均为明代保存至今的、完整的无梁建筑，外观全仿木结构而制，雕工精湛，殿内全为砖券，明、次三间为南北券棋，飞架前后墙际，两稍间则与中间相悖，改为东西券棋，架在隔墙与山墙之上，由于技艺高超，券弧跨度大，为殿内增加了空间②。这种砖砌建筑技术，是明代殿堂建筑中新出现的营造特征，为太原市永祚寺无梁殿打上了具有鲜明时代风格的历史印记，在我国建筑发展史上占有显著的位置，具有重要的科学价值。而历经四百余年的风吹雨打，无梁殿建筑群虽然基本保存完好，但是由于自然原因以及其本身材质的特性，建筑部分的病害正在逐步显现出来。

而目前国内对于无梁殿这种类型的古建筑的研究范围较窄，一些专家和学者此前较为关注的是无梁殿的建筑形式的类型和特征等建筑学领域的研究。王雪芹③对江苏省代表性的无梁殿建筑，从建筑学的角度，对建筑的年代历史、保存现状、形制文化等方面进行了深入的研究；赵婧④总结了10余座保存完好的无梁殿建筑，认为无梁殿建筑在佛教文化、吉祥文化和图碑文化上颇有造诣；刘娟⑤对我国传统建筑营造技术中的砖瓦材料进行了调研和分类，得到了无梁殿产生的条件和背景；过云灵⑥走访考察了北京地区的无梁殿建筑，对其建筑特征进行了总结，按照各自特点进行了详细的划分，对“无梁殿”的统筹范围做出了明确的界定。另外，也有一些研究关注到古建筑中拱结构的结构性能方面，淳庆等⑦通过ANSYS有限元模拟分析软件对明代石拱桥襟湖桥进行了结构性能分析，提出了明代石拱桥的保护修缮方法，为同类型石拱桥的加固提供了参考。赵守江和戴君武⑧通过有限元法和传统桥涵设计方法对故宫西华门砖拱券进行了结构力学分析，认为有限元法计算结果更合理。淳庆等⑨通过有限元软件对太原市永祚寺无梁殿大雄宝殿进行了受力性能模拟分析，得到了该建筑在静力荷载作用下的结构性能，为明代砖砌体无梁殿的加固修缮提供了参考。

另外对于砖石结构，倪浩冉等⑩对光岳楼进行了一系列调研，并对其砖石结构损伤程度进行了检测鉴定，提出了一系列砖石结构的保护措施，认为应该以“预防性保护”代替“被动式保护”；李斌⑪对明清时期山西不同地区的古砖原构件进行了外观尺寸、体积密度、抗折、抗压强度和微观孔隙分布和特性进行了研究，为山西古建筑修缮提供了具有区域针对性的数据支持；孔德荣⑫以佛山水上关帝庙复建工程为例，结合砖石构造古建筑特点，认为复建修建过程中需要使用与旧建筑类似的建材，最好采用加工后的旧青砖，以保证复建修缮效果；黄文铮和郑力鹏⑬对广东珠江三角洲地区古建筑的旧青砖进行了回弹测试和抗压强度试验，建立了古代旧青砖专用的测强曲线。赵鹏⑭考察了嘉善和苏州等青砖瓦生产地，在冻融、盐腐蚀和压力荷载共同作用的复合工况下，分别测试了青砖的质量损失率，总结归纳了自然环境下青砖损伤劣化规律，得到了青砖寿命预测模型。

综上所述，目前在古建筑修缮保护中，针对无梁殿的研究主要侧重于建筑学和建造技术方面，虽然存在一些对建筑遗产的结构受力性能和稳定性能的研究和分析，但是对于砖砌体无梁殿的建筑材料和建筑结构技术方面的研究较少，而作为无梁殿中最主要的建筑材料，砖砌体材料的材料特性及其力学性能是由多种元素所决定的。对于砖砌体来讲，黏土作为其主要原材料之一，不同地区成分变化较大，由其烧制出来的砖砌体的特性存在较大的地域区别。本文以太原市永祚寺无梁殿为例，对其所使用的砖砌体材料，通过X射线荧光光谱分析（XRF）和X射线衍射试验（XRD）现代分析检测手段，对其化学成分组成和矿物组成分析，为指导生产与永祚寺无梁殿相匹配的仿古砖砌体提供参考和科学依据。另外，通过Abaqus有限元分析软件对其主要建筑物进行静力荷载作用下的结构性能分析，综合分析其安全性能，本文结果可供该类建筑的保护修缮和永祚寺无梁殿数字化健康评估体系的建立提供参考。

1 试验原材料及方法

1.1 试验原材料

试验所涉及的砖砌体构件均经过太原市双塔寺文物管理所批准授权采集，取自太原市永祚寺无梁殿三进院，采集过程满足国家文物局和太原市文物局对于古建筑保护修缮的最小干预原则、真实性原则、完整性原则和全面性原则。

1.2 试验方法

1.2.1 XRF试验

试验采用压片法制成玻璃样品，具体方法如下：将灰浆和砖砌块试样研磨至200目以上，即粒度小于0.074mm，采用铝盒作为样品模具，使用硼酸作为黏结剂，以聚酯环镶边，采用北京众合创业科技发展有限公司生产的ZHY401B型压片压力机压制直径15mm、厚度5mm的测试样片。通过赛默飞世尔科技公司ThermoARLperformx型X射线荧光光谱仪进行测试，仪器灵敏度为0.0001%。

1.2.2 XRD试验

去除砖块表面劣化层并破碎成小块，将其磨细至通过0.075mm的方孔筛，通过日本岛津LabX XRD-6000 X射线衍射仪，采用铜靶，管电压为40kV，管电流为40mA，扫描范围为20°～80°。

2 试验结果与分析

2.1 砖砌体材料特性分析

2.1.1 XRF测试结果分析

X射线荧光光谱分析（XRF）是一种用于测定材料中元素组成的无损分析技术。通过入射X射线激发被测样品，受激发的样品中的每一种元素会放射出二次X射线，通过测试不同的元素所放射出的二次X射线的能量特性和波长特性，来确定样品中所含的元素和氧化物。在文物保护研究中，特别强调对样品的非破坏性，因而该技术可以应用于文物保护研究中。

太原市永祚寺无梁殿所使用的灰浆材料主要成分（表1）以CaO为主，约占总量的64.46%，同时含有较多的Al2O3和SiO2，分别占总量的14.89%和13.21%，另外含有微量的SO3、K2O、Fe2O3和MnO。而砖砌体材料则主要以SiO2为主，含量高达75.81%，同时含有较多Al2O3，占比为14.67%，其他类型的氧化物含量较少，如MgO、P2O5、SO3、CaO、K2O、Fe2O3和MnO。由于灰浆材料和砖砌体在建筑物中所起的功能不用，故其所使用的原材料的元素和组成以及材料制作方法不同，使得两者的主要氧化物CaO和SiO2含量差异明显。所测试的砖砌体样品中CaO的含量仅为0.31%。

表1 样品氧化物成分

XRF分析结果（表2）显示砖砌块样品中主要为Si、Al元素，占比可达88.32%；Mg、Ca、K、Ti、Fe等元素含量较少，总占比为10.96%；同时含有微量的Na、P、S、Cr、Cl元素。

表2 砖砌体化学元素组成

上述结果综合说明太原市永祚寺无梁殿所使用的砖砌体在原材料的选用上具有一定的取舍，选用了低钙含量，即低石灰石含量的黏土，选取低钙含量的黏土可有效提高砖砌体的力学性能和长期使用情况下的耐久性。因为黏土中的钙元素主要来源于石灰石（CaCO3），在青砖烧制过程中，高温煅烧会使其发生分解，如果石灰石含量较高，将会产生很大一部分二氧化碳气体（CO2）和生石灰（CaO），气体的产生会使青砖内部产生大量孔隙，孔隙的存在将很大程度地降低青砖的抗压强度和耐久性。而在青砖的后期养护和使用过程中，由于空气中水分的存在，石灰石分解产生的生石灰会发生水化反应生成Ca（OH）2，Ca（OH）2体积大于CaO，随着CaO水化反应的持续进行，青砖内部会产生一定的膨胀应力，会加速青砖的劣化甚至破坏，不利于青砖的长期使用。

2.1.2 XRD测试结果分析

X射线衍射分析（XRD）是材料研究领域中进行物相鉴别最有效和最便捷的方式之一，每种晶体都具有确定的粉末衍射线分布，在X射线衍射图谱中表现为一组特定的衍射峰，其衍射峰的相对强度通常也决定于晶体本身的结构。通过粉末法对材料物相组成进行定性分析时，只要将所测得的衍射图谱通过MDI Jade软件，经JCPDS检索就可确定X射线图谱中各个衍射峰所代表的晶体相，确定该粉末的物相组成。

在灰浆材料的XRD衍射图谱（图1）中，存在7个主要衍射峰，石英的主要特征峰分别出现在26.8°、42.4°和50.2°左右，其峰值强度相对较低。方解石的主要特征峰出现在29.4°、39.5°、47.6°和48.6°左右，其中29.4°处表现出极强的峰值强度。因此灰浆材料以碳酸钙和石英为主，其中碳酸钙以方解石晶型为主，石英可能来源于灰浆材料原材料中的菱镁矿和黏土矿物。在砖砌块样品的XRD图谱（图2）中，与灰浆材料XRD衍射图谱明显不同，石英的主要特征峰出现在20.9°、26.8°、50.5°和68.3°，其中26.8°左右为石英晶型的第一特征峰。方解石的主要特征峰出现在36.0°、39.5°和60.4°，峰值强度均不是很高。砖砌体材料主要以石英和碳酸钙为主，但是二者占比与灰浆材料相比，存在较大的不同。砖砌体材料以石英为主要成分，而灰浆材料碳酸钙占比较多。

图1 灰浆XRD图谱

图2 砖砌体XRD图谱

2.2 结构静力性能分析

为了对永祚寺无梁殿三进院建筑的结构性能和结构安全现状进行准确的评估，利用三维激光扫描、倾斜摄影、近景摄影测量等快速无接触的数字化勘测手段对永祚寺无梁殿建筑群实施多维度空间信息的数据采集（图3），在此基础上采用Abaqus有限元分析软件对三进院主要建筑物建立模型，对其进行模拟计算，分析其主体结构在静力受力状态下的受力特性。

图3 测绘数据采集

永祚寺无梁殿为砖石无梁结构，根据相关文献资料⑮和《砌体结构设计规范》（GB 50003-2011）中的相关规定，砖砌体取密度为1990kg/m3，泊松比为0.15，恒荷载取砖石砌体结构自重，屋顶活荷载取0.7kN/m2，恒荷载组合系数取1.2，活荷载组合系数取1.4。取砖砌体材料的抗压强度设计值为1.35MPa，抗拉强度设计值为0.17MPa。对永祚寺无梁殿三进院各建筑进行了静力载荷作用下的受力分析，采用位移、第一主应力和第三主应力为主要参考指标，对其安全稳定性进行研究。

2.2.1 有限元模型

按照太原市永祚寺无梁殿（图4）采用Abaqus有限元分析软件建立建筑实体模型（图5），并划分网格单元。模型网格单元共计90852个，假设不考虑原有结构缺陷，计算时采用线弹性分析方法。

图4 永祚寺无梁殿建筑立面图

图5 永祚寺无梁殿有限元模型

2.2.2 结构静力计算结果

由永祚寺无梁殿在静载荷作用下的位移变形云图（图6）可以看出，在静荷载作用下该建筑砖砌体柱构件底部均出现轻微压弯现象，中间明间两根柱窗台部位位移变形较大（0.11mm），两边稍间柱较小（0.07mm）。建筑顶部中间部位存在下凹现象（0.56mm），整体位移量不大，处于稳定状态。

由永祚寺无梁殿在静荷载作用下的第一主应力计算结果（图6）可以得出，在自重恒荷载和屋顶活荷载组合工况下，无梁殿第一主应力最大值为0.07MPa，与该建筑砖砌体材料的抗拉强度设计值（0.17MPa）差值仅为0.1MPa，而由于砖砌体材料为脆性材料，当最大第一主应力大于抗拉强度时，砌体构件就会发生拉裂破坏。另考虑到建筑年代久远，存在不可避免的材料属性的劣化而导致的材料强度的损失，极有可能发生拉裂破坏，出现裂缝。结合有限元模拟计算结果云图，第一主应力值较大值主要出现在无梁殿的两个部位，分别是窗台拱券顶部和明间拱和稍间拱之间的隔墙顶部。有限元分析结果与太原市永祚寺无梁殿现场勘察得到的裂缝位置相吻合，裂缝位置为门窗拱券顶部（图7）。

图6 有限元计算结果

图7 窗台拱券顶部裂缝

由永祚寺无梁殿在静荷载作用下的第三主应力计算结果（图8）可以看出，在自重恒荷载和屋顶活荷载组合工况下，第三主应力从上到下逐渐增大，在明间拱门底脚处和拱门柱里侧的窗拱底角处出现较大的应力，整体结果最大值为0.49MPa，没有超过该建筑砖砌体材料的抗压强度设计值（1.35MPa），且差值接近1MPa，存在一定的安全存量。另外计算结果云图可以反映模型的变形情况，该建筑拱柱均存在一定的压弯情况，表现为中下部向外弯曲，其中以明间拱门两边拱柱最为明显。考虑到建筑材料随时间产生的劣化现象，结合数值模拟第三主应力计算结果云图，认为明间拱门底脚处、拱门柱里侧的窗拱角部和客房稍间拱门的两个拱脚处容易破坏，作为主要受力部分，出现破坏会严重影响建筑本体的稳定性。

图8 第三主应力计算结果

3 结论

为了对太原市永祚寺无梁殿进行健康体系评估，搭建健康数据平台，对该类型古建筑进行更好的保护，对其保护范围内的砖砌体及灰浆的材料特性和整体静力结构性能进行了一些研究，得到的结果表明：

①太原市永祚寺无梁殿所使用的灰浆材料主要成分以CaO为主，约占总量的64.46%，同时含有较多的Al2O3和SiO2，分别占总量的14.89%和13.21%；砖砌体材料主要以SiO2为主，含量高达75.81%，同时含有较多Al2O3，占比为14.67%，其他类型的氧化物含量较少。

②太原市永祚寺无梁殿所使用的砖砌体选用了低钙含量的黏土烧制，目的是提高砖制品的质量，有效延长砖制品的耐久性。在后期建筑维护中，可以考虑使用该类型原材料烧制的砖砌体，以达到“修旧如旧”的实际效果。

③太原市永祚寺无梁殿整体处于稳定状态，数值模拟计算结果表明较大的拉应力出现在明间拱和稍间拱之间的隔墙顶处以及窗台拱券顶部，该部位出现开裂的可能性较大；较大压应力出现在明间拱门底脚处、拱门柱里侧的窗拱角部和客房稍间门的两个拱脚处，该部位出现压裂破坏以及拱门柱出现压弯的可能性较大。因此，建议在后续对该建筑的加固修缮中对这些部位进行重点加固处理。

注释

①叶若琛.山西地区仿木建筑浅析[D].太原：太原理工大学，2016.

②李俨，郭华瑜.太原永祚寺 明代寺院建筑的典型范例[J].大众考古，2018（4）：87-90.

③王雪芹.隆昌寺无梁殿建筑装饰艺术研究[D].南京：南京师范大学，2011.

④赵婧，曹磊.明清无梁殿建筑装饰特色研究[J].兰台世界，2015（3）：146-147.

⑤刘娟.中国传统建筑营造技术中砖瓦材料的应用探析[D].太原：太原理工大学，2009.

⑥过云灵.中国无梁殿体系研究之北京地区[D].南京：南京师范大学，2014.

⑦淳庆，汤晔峥，潘建伍，等.明代石拱桥襟湖桥保护技术研究[J].文物保护与考古科学，2016（3）：65-72.

⑧赵守江，戴君武.故宫西华门砖拱券结构分析[J].建筑结构，2016（15）：98-101.

⑨⑮淳庆，杨红波，孟哲，等.太原永祚寺无梁殿的建筑形制及结构静力性能研究[J].文物保护与考古科学，2019（6）：85-91.

⑩倪浩冉，赵腾飞，董晴晴，等.以光岳楼为例浅议古建筑砖石结构保护[J].广东建材，2021（9）：48-50.

⑪李斌.山西明清时期古砖瓦原构件性能研究[D].太原：太原理工大学，2020.

⑫孔德荣.砖石构造古建筑的特点及修缮策略[J].四川建材，2020（8）：36-37.

⑬黄文铮，郑力鹏.古建筑旧青砖回弹测强曲线的建立[J].科学技术与工程，2011（13）：3111-3113，3118.

⑭赵鹏.荷载与环境作用下青砖及其砌体结构的损伤劣化规律与机理[D].南京：东南大学，2015.