北京鼓樓結構安全檢測方法的探索與實踐

張紀平 丁燕 左艷杰 任鵬飛 楊永興 李雪瑩 孫淼

北京鼓樓始建于元代至元九年（即公元1272 年），當時位于在大都城（即今北京）的中心，后毀于火，元成宗大德元年（公元1297 年）重建后又毀于火。明永樂十八年（公元1420 年）重建鼓樓，其位于都城南北中軸線的最北端，是中軸線遺產要素的重要組成部分。

古建筑結構安全檢測方法依據古建筑結構形式的不同存在多種方法。目前，建筑結構檢測行業可以參考的行業標準包括2004 年版深圳地方標準《歷史遺留建筑物結構安全性檢測與鑒定指南》、2005 年版上海地方標準《既有建筑物結構檢測與評定標準》（DG/TJ08-804-2005）、2009 年北京地方標準《房屋結構安全鑒定標準》（DB11/T637-2009）以及2011 年廣東省地方標準《既有建筑物結構安全性檢測鑒定技術標準》（DBJ/T15-86-2011），檢測主要內容可歸納為現場檢測、計算分析和鑒定評級三部分。考慮到古建筑結構的年久失修、多樣性和復雜性等特點，古建筑結構安全檢測應滿足多種方法綜合使用、無損性和文物建筑安全的基本要求，為更好地保護古建筑，迫切需要規范文物建筑檢測鑒定行業的工作內容和工藝流程。

1.工程概況

北京鼓樓是一座單體木結構建筑，坐北朝南，為三重檐滴水木結構樓閣，樓身坐落在高約四米的磚石臺基上。鼓樓下層為城臺，城臺外顯面闊七間，進深五間，內部為拱券結構。鼓樓二層四面均有六抹方格門窗，四周有廊，帶木護欄，望柱高1.55m。鼓樓三層為暗層，屋頂為灰筒瓦綠琉璃剪邊、重檐歇山頂。

自20 世紀80 年代，北京鼓樓經歷四次保護修繕工作，最近一次修繕是在2009 年，距今已過11 年。目前，鼓樓的大木結構已經出現局部明顯變形并牽連到相關木構件，這種現象若持續惡化會造成安全隱患。如：檐柱沉降變形明顯，北部檐柱的沉降變形突出，四周外檐斗栱傾斜外翻，平坐隱蔽部位木結構榫卯有松脫現象，首層屋檐局部變形，二層檐局部變形，屋面滲漏導致望板糟朽，三層（頂層）翼角出現局部變形。為驗證鼓樓整體結構是否處于安全、穩定狀態，故組織開展了鼓樓古建筑結構的安全檢測工作，為后續修繕保護工作提供科學、全面的依據和技術支撐。

2.現場檢測

2.1 檢測技術路線

本次北京鼓樓古建筑結構安全檢測工作采用現場檢測、實驗室試驗、數值模擬綜合分析的手法，以達到檢測目的，三項工作同時推進、互為補充、互為驗證，流程如圖1 所示。

圖1 檢測工作流程

2.2 檢測方法

2.2.1 現狀測繪

現狀測繪工作以滿足古建筑結構檢測為目標。主要測繪內容包括古建筑平立剖、建筑臺明水準測量、城樓柱礎石和平座標高測量、城臺墻面鼓脹測量、梁枋撓曲測量、立柱傾斜和扭曲測量以及采集屋面瓦件影像采集。主要采用了三維激光掃描技術、水準測量技術和近景攝影測量技術等（圖2）。

圖2 城臺墻面傾斜測量

2.2.2 地基和基礎勘探

地基和基礎勘探采用了地質雷達法、開挖探槽法和鉆孔勘察法。為了查明地基和基礎內部填充物的密實程度，采用無損地質雷達法；為查明城臺基礎埋深，采用開挖探槽法；為查明地層結構，采用鉆孔勘察法，鉆孔過程中采取土樣進行室內土工試驗，并進行標準貫入試驗、重型動力觸探等原位測試。

地質雷達探測是一種對地下或結構物內部不可見的目標體或分界面進行定位或判別的電磁波探測技術[2]（圖3-4）。

圖3 地質雷達探測原理示意圖

2.2.3 城臺砌體結構調查

城臺臺面大城磚病害采用人工調查方式，先繪制臺面磚正投影像圖，整體編號，再分區域進行調查，對病害種類、分布及面積進行統計分析，并繪制臺面大城磚病害圖；分析檢測采用無損和微損檢測。本次檢測主要通過橡膠錘敲擊和外觀檢測等方法，調查城臺抹灰層的空鼓和開裂等缺陷的現狀，為城臺整體的安全性評價提供客觀依據。

2.2.4 城臺砌體結構地質雷達探測

圖4 地基和基礎地質雷達探測成果圖

圖5 超聲波檢測與成果圖

砌體結構內部無損探傷主要采用地質雷達探測方法。對城臺基礎、城樓室內地面、平座和城墻墻面進行地質雷達探測。分別采用100MHz 和250MHz 封閉天線進行對比測試，以查明城臺內部病害分布情況及城臺地基基礎病害發育情況。

2.2.5 木構件檢測

2.2.5.1 構件裂縫分布檢測

以柱裂縫為例介紹裂縫分布檢測的步驟：首先，觀察柱身裂縫分布，選出較為顯著的裂縫，對其進行編號，并貼上明顯標識。然后，拍攝東、南、西、北四個方向的柱身整體照片。此做法主要是為了標注裂縫在柱身的具體位置。接著，按照編號依次測量柱身裂縫的寬度和深度，并拍攝相應圖片。最后，拍照記錄柱頭、柱腳的節點形式。

2.2.5.2 榫卯節點拔榫檢測

為獲取關鍵位置處梁柱榫卯節點的損傷情況信息，對榫卯節點變形情況進行了測量，包括梁、卯口和榫頭的高、寬值，以及各個方向的榫卯間隙量和拔榫量。

2.2.6 大木結構無損檢測

木構件外部損傷的檢測，主要通過各種檢尺檢量其特征尺寸，記錄其損傷位置，確定損傷程度；木構件內部損傷的檢測，主要通過探傷儀器或設備確定內部損傷類型、損傷位置及損傷程度。城樓木構件材質狀況勘察使用超聲波、應力波以及阻抗儀等儀器或設備。

超聲波裂縫檢測：現場對20 根木柱的23 個側面表面病害進行檢測，表面病害主要為裂縫，檢測參數為裂縫寬度及深度。

應力波檢測：傳統的木材質量檢測大多采用人工方法，甚至需要將木材試樣破壞后進行檢測，檢測效率和精度不高。與其它無損檢測技術相比，應力波無損檢測技術優點突出，主要針對樹木內部缺陷的無損檢測而設計，可以應用到古建筑木質結構的健康檢測中。

應力、應變狀態的變化以波的方式傳播，稱為應力波。應力波是應力和應變擾動的傳播形式。在不破壞木材本身的前提下，使得木材產生應力波并在木材內部傳播，通過測定應力波的時間，計算其傳播速度，來評估木材腐朽、計算木材彈性模量的方法。

應力波法適用于構件全截面腐朽檢測。木構件的腐朽面積精確測量宜采用阻力儀相結合檢測方法，阻力儀法適用于距表面40mm 以上的深層腐朽檢測，最大檢測深度1000mm。

應力波掃描斷面圖：通過檢測應力波在木材內部的傳播時間，經波速計算并進行矩陣變換和圖像重構后，顯示的木材斷面二維彩色圖像。

區域顏色顯示[3]：（1）綠色表示木質未腐損；（2）黃色表示木質輕度腐損；（3）紅色表示木質重度腐損。

圖6 應力波檢測與成果圖

圖7 阻力儀檢測與成果圖

但是該圖像受諸多因素影響，故其顯示的缺陷大小存在一定的偏差。利用阻力儀對存在缺陷的木構件進行單路徑上缺陷長度的修正，可獲得更為準確的缺陷面積。

阻力儀檢測：微鉆阻力儀法是使用阻力儀將直徑小于或等于1.5mm 的微型鉆頭鉆入木材內部，根據鉆頭前進時遇到的阻力，判斷木材的密度及內部腐朽、開裂、節疤等缺陷的一種非破壞性檢測方法[4]。缺陷檢測結果采用相對值表示，即用腐朽木材的阻力值相對于為未腐朽木材阻力值變化的百分比表示。

2.2.7 材料強度現場檢測

2.2.7.1 磚強度檢測

磚強度檢測采用回彈法。回彈法是采用具有一定動能的重錘彈擊介質表面，其動能將發生再分配，一部分能量以塑性變形或殘余變形的形式為介質所吸收，而另一部分能量則反彈重錘。介質表面越緊密，硬度越大，給予重錘的反彈能量就越大。只要能測得回彈值的大小，就可以進一步確定介質表面的緊密程度與強度大小。

2.2.7.2 砂漿強度檢測

砌筑用砂漿強度的現場檢測方法有兩種：回彈法和貫入法。回彈法測砂漿強度的原理與砌筑用磚測試基本相似，貫入法通過測定撞擊探針貫入深度值來度量材料的硬度以表征材料抗壓強度。由于回彈法用于離散較大的砂漿材料時具有更大的偏差，而貫入法較回彈法更真實準確地反映砂漿強度大小，數值更真實，因此鼓樓砌筑用砂漿采用貫入法對砂漿材料進行強度測試。

3.結構安全性數值分析

3.1 城臺結構安全性數值分析

采用ABAQUS 有限元軟件對鼓樓城臺建立數值模型，首先進行模態分析，并分別進行靜力作用和動力作用（振型分解反應譜方法、動力時程方法）和溫度場作用計算及分析，為城臺結構的鑒定評級提供依據。

3.1.1 材料參數

在材料參數選取方面，用砌體來模擬城臺。由于鼓樓城臺尚未進行鉆芯取樣，故進行有限元模擬時，將城臺作為全磚砌體進行計算。具體材料參數依據歷史檢測資料，選用在現場檢測校核后的檢測結果。

3.1.2 邊界條件

根據相關地質雷達掃描報告結論，鼓樓城樓四周地面下無明顯空洞，因此在進行有限元建模時，不考慮土—基礎—城臺相互作用，將城臺底部考慮成固接。

3.1.3 單元類型

采用C3D8 實體單元對城臺進行模擬。

3.1.4 荷載、其它作用及其組合

依據《建筑結構荷載規范》（GB/50009-2012）和《建筑抗震設計規范》（GB/50011-2010），荷載及其它作用取值如下：

（1）恒荷載：磚的重量密度按20kN/m3考慮；

（2）活荷載：取 3.5kN/m2；

（3）風荷載：基本風壓的重現期為50 年，基本風壓為 0.45 kN/m2；

（4）雪荷載：基本雪壓的重現期為50 年，基本雪壓為 0.40kN/m2；

（5）地震作用：北京抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度值為 0.20g，設計地震第一組。對于鼓樓工程，設防類別按甲類建筑，地震作用提高一度，即按9 度計算。對于動力時程分析，選取3 條地震波（兩條天然波和一條人工波），其中天然波為EL Centro波和天津波，人工波根據目標反應譜進行擬合。

（6）溫度作用：考慮溫升和溫降兩種工況，即工況一：溫度從-20℃變化到54℃，工況二：溫度從54℃變化到-20℃。

（7）荷載組合：主要考慮以下荷載組合工況：

1.2 恒+1.4 活；

1.2 恒+1.4 風；

1.2 恒+1.4×0.7 活+1.4×0.6 風；

1.2 （恒+0.5 活）+1.3 水平地震。

綜合以上參數，建立數值模型。

3.1.5 計算分析

計算分析內容包括模態分析、靜力計算分析、動力計算分析以及溫度作用計算分析。其中，動力計算采用兩種方法振型分解反應譜法和動力時程法。振型分解反應譜法：考慮材料的平均強度和最低強度，對城臺在8 度多遇地震、8 度罕遇地震、9 度多遇地震、9 度罕遇地震作用下進行了剛度和承載力計算。動力時程法：選取EL-Centro 波、Kobe波和人工波，考慮材料的平均強度和最低強度，對城臺在八度多遇地震、八度罕遇地震、九度多遇地震、九度罕遇地震作用下進行了動力時程分析。

3.2 城樓大木結構安全性數值分析

鼓樓大木構架分三個層次，即梁架層、斗拱層和柱額層。在靜力作用下，安全可靠，構架設計符合力學原則和材料特性，設計構思嚴密、巧妙，是古代解決大體量大空間建筑的范例，既是對傳統建筑的繼承和發展，也是對傳統建筑技術的重要貢獻。

城樓木結構在長期使用過程中，不可避免地出現材料和構件退化，現場勘察發現城樓木結構的部分構件和節點出現不同程度的殘損，構件和結構性能與建成初期存在難以預估的差別，這些都對結構的力學性能產生重要影響。與此同時，木結構的材料、節點、構件等離散性較大。有限元模型的可靠性是結構整體安全性能準確評估的基礎。但是，由于材料的退化，以及構件和節點的復雜性，使得有限元分析中難以用簡易、精確的單元或節點模擬真實結構，有限元模型常常與實際結構有一定偏差。因此，基于有限元軟件ANSYS 分別建立城樓大木結構的理想化有限元模型（簡稱理想模型）及可以反映其現狀的損傷有限元模型（簡稱損傷現狀模型）。

基于相關標準、現場勘察與數值計算結果，分別對城樓大木結構的現狀模型及理想模型在自重、自重及風荷載、地震作用下的有限元分析計算，給出各種工況和結構狀態下的分析結果，并根據各類構件對整體結構的影響進行重要性分類。

4.結構安全性評估

4.1 城臺砌體結構安全性評估

根據結構有限元驗算和分析，北京鼓樓城臺及樓體砌筑結構安全性評估分為兩級：第一級評估以宏觀控制和構造鑒定為主進行綜合評估；第二級評估以承載能力驗算為主結合構造及損傷等影響進行綜合評估。第二級評估標準的評級結果不得高于第一級評估的評級結果。第二級安全性評估，按地基基礎、上部承重結構劃分為兩個分部結構分別進行。地基基礎的第二級評估按照地基承載能力和基礎承載能力兩個項目評定，并取其中較低等級作為地基基礎分部結構的安全性等級；其中，上部承重結構的第二級評估按構件安全性進行評定。整體結構的第二級安全評估，根據其地基基礎、上部承重結構和圍護系統承重部分等的安全性等級，以及與整體建筑有關的其他安全問題進行評定。

4.2 城樓大木結構安全性評估

北京鼓樓城樓木結構評級依據《古建筑結構安全性鑒定技術規范（第1部分：木結構）》（DB11/T 1190.1-2015）對樓體木結構進行鑒定評級。該規范規定了北京行政區域內木結構古建筑結構安全性鑒定的基本規定、勘察、構件安全性等級判定、子單元安全性等級判定和鑒定單元安全性等級判定。

5.結論

5.1 地質雷達檢測技術成熟可靠

地基和基礎勘探采用的地質雷達法相較于探槽和鉆孔這種區域受局限的傳統方法，對文物沒有任何損害，達到探測地基和基礎內填充物是否均勻的目的，操作過程簡單，是現有的地基和基礎勘探最有效的方法之一，適用于古建筑地基和基礎探測調查。

古建筑墻體的砌體結構無損探傷采用地質雷達法，對墻體無任何損傷，測試結果能夠反映出城墻內部結構特征和病害情況。

5.2 木構件內部損傷檢測手段多樣

古建筑立柱多為木材質，表面明顯裂隙的深度檢測采用超聲波檢測，是一種比較適用的無損檢測方法。木質立柱結構內部腐朽狀況，可采用應力檢測和阻力儀檢測相結合的方法檢測得出。

5.3 有限元模型的可靠性是結構整體安全性能準確評估的基礎

由于古建筑材料的退化，以及構件和節點的復雜性，有限元分析中難以用簡易、精確的單元或節點模擬真實結構，有限元模型常常與實際結構有一定偏差。應基于有限元軟件分別建立結構理想化有限元模型及可以反映其現狀的損傷有限元模型。

綜上所述，本文應用的古建筑結構檢測方法、檢測過程和檢測結果全面有效地完成了對北京鼓樓結構的安全檢測，并通過有限元建模計算分析，對北京鼓樓結構和構件進行了評級。實踐證明，本文所采用的古建筑結構檢測技術是合理可行的，尤其適合這類磚石結構古建筑。