贛西地區某歷史會館結構修繕設計及抗震性能分析

摘"要"某歷史會館位于江西省宜春市袁州區，建于清光緒年間，為宜春市文物保護單位。該會館為贛西地區典型磚木結構，內部為穿斗式木結構，外圍為空斗墻。由于年久失修，加之遭遇火災，整體房屋破壞嚴重。首先，對該結構的破損情況進行了分析，同時根據安全性鑒定的結果，提出了“揭頂+落架”的大修方法。其次，提出“空斗墻+穿斗木結構”混合結構的數值建模方法，并建立空間計算模型進行分析。根據計算結果對破損的墻、梁、柱等結構構件進行了結構修繕設計。提出了復建空斗墻新增圈梁和構造柱的做法，增加了結構的整體性。最后，通過不同地震水準下的非線性時程分析，驗證了修繕后結構的抗震性能可滿足規范要求。提出的修繕設計方法和結構數值建模方法可為贛西地區類似歷史建筑的修繕提供參考。

關鍵詞"贛西地區，"磚木結構，"歷史建筑，"修繕設計，"抗震性能

Retrofit Design and Seismic Performance Analysis of a Historic Hall in West Jiangxi Province

ZHOU Bin^*

（Tongji Architectural Design （Group）"Co.，Ltd.，"Shanghai 200092，"China）

Abstract"A historic Hall is located in Yuanzhou County，"Yichun City，"Jiangxi Provinces. It was built in the Qing Dynasty. It is the heritage protection unit of Yichun. This Hall is a typical masonry and timber structure in west Jiangxi province. The timber structure is in the interior and the hollow brick wall is in the outside. Because of the bad maintenance and the fire，"the hall is badly damaged. Firstly，"these structural damages were analyzed and judged in this paper. In the same time，"the results of safety appraisal were considered. The remedy method of overhauling and rebuilding was presented in this paper. Secondly，"the simulation of masonry and timber structure was presented in this paper. And the spatial model was built and analyzed. By the results of calculation，"the restoration disposes of the damage elements，"such as masonry wall，"timber beams and timber columns，"were presented in this paper. The ring beam and construction column were arranged in hollow brick wall，"which improved the structural integrity. This new design method was applied in this project. Finally，"by nonlinear time history analysis under different intensity earthquake，"the seismic capacity and the holistic property of this building were improved. These repair and calculation methods can offer references to the similar structures in west Jiangxi province.

Keywords"west Jiangxi province，"masonry and timber structure，"ancient buildings，"retrofit design，"seismic performance

1"項目概況

某歷史會館位于江西省宜春市袁州區，是一典型的清代贛西民用建筑，結構形式為“外墻內木”，即內部為穿斗木結構，外部墻體為一眠一斗空斗墻。面寬18.26 m，進深29.90 m。建筑面積473 m²。修繕前的鳥瞰圖如圖1所示。如何在修繕設計過程盡量保持原房屋結構特征、保留原結構構件，同時適度提高修繕后結構的抗震性能是本項目設計的難點。此外，針對該類磚木結構，如何建立真實可靠的空間計算模型進行結構分析是本項目的另外一個難點。

2"結構破損情況與安全性鑒定

房屋整體破損嚴重。屋面瓦片風化、破碎，局部屋面坍塌；外立面墻砌磚風化，破損；承重墻、木結構遭遇火災、嚴重破損。部分木板破損、變形；木構件連接點出現破損；踏步、爬梯老化、坍塌；房屋中木柱不同程度損毀、老化、開裂。

2.1 墻體破損情況

該建筑外圍墻體采用贛西地區常用的一眠一斗的空斗墻砌筑方式。現場檢測磚塊強度達到MU10，砂漿采用石灰砂漿，強度僅達到M1.0～2.0。根據現場查勘，兩側山墻破損嚴重，局部倒塌，砌塊破損。墻體破損主要可以分以下四類：①墻體開裂；②墻體磚塊缺失；③墻體空鼓；④墻體酥堿風化。

2.2 大木作破損情況

該房屋歷經多年使用，部分屋架由于防水破損，部分木屋架長期處于潮濕環境，且通風差，造成木構件的糟朽。木構件出現濕漲和干縮的情況，出現一系列不可恢復的裂縫。部分裂縫深度較大，影響結構構件的承載力。一些木柱及瓜柱由于外力或者其他木構件糟朽后導致側向變形，造成構件的傾斜及歪閃。部分木梁由于建造年代久遠，外加重力及荷載影響，木材老化，物理性能降低，導致木構件出現彎垂現象，彎垂程度過大導致屋面變形、屋面漏水等情況。該房屋局部遭遇火災，部分木屋架及木柱均焚毀。大木作典型破損情況如圖2所示。

2.3 安全性鑒定

根據《古建筑木結構維護與加固技術規范》^［1］中鑒定的要求針對該結構進行安全性鑒定，本次鑒定主要針對未倒塌部分，按以下三個層面進行鑒定：構件殘損等級、構件承載力等級、結構體系安全等級。主要鑒定結論見表1。由表中數據可見，該房屋未倒塌部分的安全性評價等級為D級，必須立即進行結構修繕。

3"結構修繕設計

3.1 結構修繕策略

根據2.3節安全鑒定結果，該房屋需要立刻進行修繕處理。由于該建筑保留部分存在大量的歷史文化價值和當地特有住宅信息，需要盡量多的保存既有構件。因此，結構修繕設計中，針對安全鑒定中d等級的構件進行替換，其他等級構件均進行修繕處理，即“揭頂大修”。倒塌部分盡量利用原有材料進行重建，即“落架大修”。在該歷史會館的結構修繕設計過程中采用“揭頂大修+落架重建”的混合修繕方式。

3.2 結構修繕設計流程

根據《古建筑木結構維護與加固技術規范》^［1］要求，該建筑的結構修繕設計流程如圖3所示。

3.3 結構計算模型建立

準確的計算模型是結構修繕設計的前提，由于該房屋為磚木結構體系，故分為木結構和砌體結構分別建模。采用SAP2000軟件進行整體建模。

木材為各向異性材料，根據周彬等^［2］提出的木結構建模方法及相關材料的模擬等效原則，采用Beam單元模擬木構件，采用Link單元模擬木構件兩側的榫卯節點。計算模型如圖4所示。

木結構部分參考《木結構設計手冊》（第四版）^［3］中杉木的彈性模量、剪切模量及強度取值，木材橫紋彈性模量中徑向彈性模量和切向彈性模量與順紋彈性模量的關系為，，木材的剪變模量與順紋彈性模量的相對比值可以近似取為，，。木材的正交三軸向與三切向示意圖如圖5所示，模型中木材力學性能取值見表2。

贛西地區榫卯節點類似于江南地區典型穿斗木結構的榫卯節點做法，常見為半榫及透榫加木銷做法，如圖6所示。根據淳慶等^［4-5］提出的榫卯節點M-θ簡化骨架曲線（三折線模型，見圖7），構建M₂-θ₂與M₃-θ₃骨架曲線。復建部分木結構的卯榫節點的各項力學參數見表3及表4。根據《古建筑木結構維護與加固技術規范》^［1］附錄F.0.2對既有修繕部分的榫卯節點剛度進行折減，折減系數取為0.85。

對于空斗墻模擬，本文參考周彬等^［6］的研究成果，采用等效抗側桿模擬空斗墻片，并根據參考尚守平等^［7］的研究成果確定其參數，骨架曲線及恢復力模型如圖8及圖9所示。磚木連接處，本文等效為鉸接點。

3.4 既有磚墻的修繕

建筑要求修復過程需要保留原有砌體立面，不進行粉刷，不得進行面層加固。故根據磚墻砌筑特點及現場實際情況，根據文獻［13］中關于墻體的修繕方法，針對前文所述墻體四類破損進行修復。

3.4.1 墻體裂縫的修繕

當裂縫寬度小于5 mm，且裂縫深度較淺時，可以采用填縫法進行修補；當裂縫寬度大于5 mm且小于15 mm時，采用粘結劑配合石灰砂漿進行灌注；當裂縫寬度大于15 mm時，拆除重新砌筑。

3.4.2 墻體磚塊缺失的修繕

采用同尺寸磚塊，配合粘結劑與石灰砂漿進行修補。

3.4.3 墻體空鼓的修繕

當凸出墻面小于2 cm時，人工將空鼓區域面層鏟除，將磚塊扶正，灌注粘結劑，石灰砂漿勾縫。當墻面面積達到1 m²，且凸出墻面大于2 cm時，墻體局部拆除后重新砌筑。

3.4.4 墻體酥堿的修繕

當墻體基本完好，局部酥堿且深度大于10 mm小于20 mm時且墻體非承重墻時，可以采用磚粉修補。當墻體基本完好，局部酥堿深度超過20 mm時，采用剔鑿挖補的辦法，將酥堿的磚塊鑿除、替換，采用粘結劑與石灰砂漿填實。

3.4.5 復建墻體設計

針對新砌的墻體，由于需要保證與原有墻體一致，需要采用一眠一斗方式砌筑的空斗墻。由于空斗墻整體性較差，本項目結構修繕中特別提出在縱橫墻交錯部位布置了構造柱，并在樓層部位設置了圈梁，做法詳見圖10及圖11。保證了結構的整體性，提升了一定的抗震能力。

空斗墻體豎向承載力計算方法參考《砌體結構加固設計規范》^［8］中實心磚墻的計算方法，計算公式如下：

式中，為考慮高厚比的空斗墻折減系數，可以按《砌體結構加固設計規范》^［8］附錄D進行計算，考慮空斗墻可以考慮0.7的折減系數。

空斗墻的抗剪承載力的計算方法參考陸飛等^［9］提出的空斗墻計算方法考慮贛西地區白泥磚的特點進行修訂，公式如下：

3.5 木構件的修繕

根據李愛群等^［10］、趙鴻鐵^［11］、李向民等^［12］及周彬等^［13-14］的研究成果，結合《古建筑木結構維護與加固技術規范》^［1］中相關木構件修復要求，結合本項目的地域特點，針對不同損傷進行如下修繕。木柱、木梁修繕方法如圖12及圖13所示。修繕后的木柱與木梁如圖14及圖15所示。

3.5.1 木梁、木柱裂縫的修繕

本項目中木構件的干縮裂縫，當裂縫寬度不大于3 mm時，可用環氧膩子封堵嚴實。當裂縫寬度大于3 mm但小于30 mm時，可采用木條和環氧樹脂膠，將縫隙嵌補粘結嚴實。當裂縫深度超過30 mm，但小于梁（柱）寬或梁（柱）直徑的1/4時，可采用“木條+環氧樹脂膠+鐵箍法”進行修補。當裂縫深度超過梁（柱）寬或梁（柱）直徑的1/4時，更換構件。

3.5.2 木梁、木柱糟朽的修繕

當梁柱構件糟朽部分較淺，不超過梁（柱）寬或梁（柱）直徑的1/4時，可以采用挖補的方法，采用新木用環氧膠水進行粘結。當糟朽部分超過梁（柱）寬或梁（柱）直徑的1/4，且范圍較大時，更換構件。

3.5.3 木構件拔榫、脫榫的修繕

針對木梁、梁枋出現拔榫情況，可以隨梁架設打牮撥正，并用扒釘拉結，在用木板條做夾板拉結釘牢。

軸心受壓構件與受彎構件承載力驗算參照《木結構設計手冊》^［3］中計算方法，結合《古建筑木結構維護與加固技術規范》^［1］中相關木構件強度折減，根據本建筑的建筑年代，修繕部分木構件順紋抗壓強度折減系數取為0.95，抗彎和順紋抗剪強度折減系數取為0.9，彈性模量和橫紋承壓設計強度取為0.9，計算公式如下：

式中：N為軸心壓力設計值；為木材順紋抗壓強度設計值，修繕部分木結構考慮強度折減，復建部分不考慮；為軸心受壓構件的穩定系數；為受壓構件的凈截面面積；為驗算穩定時截面的計算面積。

式中：為木材抗彎強度設計值；M為受彎構件的彎矩設計值；為受彎構件凈截面抵抗矩；W為受彎構件的全截面抵抗矩；為受彎構件的側向穩定系數；為木材相關系數，本項目采用原木，取為1.0；為木材強度因數，本項目木材均為杉木，；b和h分別為受彎構件截面寬度和高度；為驗算側向穩定時受彎構件的有效長度。

4"抗震性能計算分析

為了了解該磚木結構的結構性能，同時針對結構體系不足處進行提高，利用前文修繕設計分析用的結構模型，進行不同水準地震作用下的結構性能分析。

本項目中非線性結構動力時程分析采用威爾遜θ法，計算采用常阻尼矩陣，結構的阻尼取為8%。相關結構設計參數見表5。

4.1 地震波的選擇

根據地震活動三要素，即頻譜特性（可用地震影響系數曲線表征，依據所處的建筑場地類別和設計地震分組確定）、有效峰值（按規范所列地震加速度最大值采用）和地震加速度時程曲線持續時間（一般為結構基木周期的5～10倍）的要求進行選擇，本項目選擇：①Irpinia，"Italy01；②N. Palm Springs；③Whittier Narrows01這三條地震記錄為時程分析的輸入時程。這三條地震波與規范中標準反應譜的對比如圖16所示。

4.2 自振周期分析

通過計算，結構自振周期及振型見表6，通過分析可以發現：該房屋前三階自振周期均呈現內部穿斗木結構的扭轉，且周期較長，這說明內部的木結構整體剛度偏小，內部穿斗式的木結構橫向抗側剛度大、縱向抗側剛度小，極易出現扭轉。

4.3 層位移與層間位移角分析

根據贛西地區磚木結構的特點，本文將分開統計內部木結構與外圍砌體墻來進行位移及層間位移角的分析，通過表7與表8不同地震水準下木結構與外圍墻體的層位移及層位移角對比分析可以發現：

（1）"木結構部分各地震水準下最大位移均大于外圍墻體部分，6度多遇地震下砌體部分的位移是木結構的48%（X方向），47%（Y方向）。6度設防地震下砌體部分的位移是木結構的51%（X方向），45%（Y方向）。6度罕遇地震下砌體部分的位移是木結構的70%（X方向），65%（Y方向）。可以發現大震作用下，木結構的變形大幅度增加，而外圍墻體位移明顯較小，這是由于外圍墻體與內部穿斗木結構并不是剛性連接，內部木結構承擔大部分的重力荷載，但抗側剛度小；而外圍墻體抗側剛度大，承載的重力荷載卻很少。

（2）"由于木材變形能力較強，6度罕遇地震作用下最大層間位移角為1/142（X方向）與1/163（Y方向），進入輕微破壞階段，而外圍磚墻部分6度罕遇部分最大層間位移角達到1/473（X方向）與1/466（Y方向），進入中等破壞階段。房屋整體滿足抗震規范中“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設防目標要求。

4.4 結構破壞形態

不同水準地震作用下的結構破壞形態對比見表9，可以發現木結構與外圍墻體在6度罕遇地震作用下未出現倒塌，整體滿足抗震規范中“小震不壞，中震可修，大震不倒”的設防目標要求。

5"修繕后情況

該歷史會館修繕后建筑的外觀及內部情況如圖17及圖18所示。修繕后的會館基本恢復原有建筑風貌，原有結構體系及大部分原有構件得以保存，結構整體性及抗震性能得到提升。

6"結"論

通過此歷史會館結構修繕設計和抗震性能分析，可以得到以下主要結論：

（1）"針對破損嚴重、局部坍塌的歷史建筑，本文提出的“揭頂+落架”的混合修繕方式，可以盡量保存現有房屋的歷史文化信息，基本還原了建筑的歷史風貌，本文提出的相應設計流程可以為類似項目提供參考。

（2）"本文提出的針對木梁、木柱及墻體的修繕方法切實可行。在充分做到可逆性、可識別原則的同時也有效地提高了主體結構的安全性與整體性。特別是文中提出的空斗墻復建過程中設置了圈梁和構造柱的做法，提高了結構的整體性和抗震性能。

（3）"本文提出“空斗墻+穿斗木結構”混合磚木結構建模方法，根據計算結果進行結構修繕加固設計。根據計算分析結果，驗證了修繕后結構抗震性能滿足規范要求。

此外，本文提出的等效模型方法是一種便于設計采用的模型，需要進一步建立空間實體模型進行對比分析，在具備條件的情況下可進行足尺模型振動臺試驗，以驗證等效模型的準確性。磚木連接節點的性能也需要進一步深入研究。

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