1、近代文物保护建筑圣三一教堂结构置换和计算分析 【摘要】本文结合三一教堂结构修复项目，对文物保护建筑结构置换与修复施工过程中涉及的结构稳定性问题进行了分析研究，通过结合ANSYS有限元软件对结构修复施工安全性进行建模验算。希望可以给类似工程项目提供参考借鉴。 【关键词】历史建筑；建筑结构；置换；分析 一、圣三一基督教堂原始结构概况 圣三一基督教堂为一座19世纪建造的哥特式宗教建筑，从建筑平面和功能分析，该教堂可分为南、北两个建筑结构部分，其中南侧部分是整个建筑的主体结构部分一一教堂部分，在教堂北侧为钟楼结构部分。 教堂内部的大堂高17米，原设计为一层砖木混合结构，其平面呈十字型，长约48米，宽约
2、25米，大堂的东侧为门厅，大堂内部呈长十字式的三廊型，大堂的中厅宽9.2m，中厅的两侧为侧廊，侧廊宽约4.5m，在侧廊的外侧还有连拱 外廊，大堂的西侧为原圣台，原圣台前端向南北方向延伸，构成拉丁十字的横臂。大堂沿东西方向设有六跨，各跨跨度为4.2m，中厅与侧廊之间的墙体和屋架由6孔尖券列石柱支撑，其上叠以列拱，再上为高侧尖拱券窗洞，列石柱为花岗岩柱，直径为508mm，其上、下端均做有柱帽，支撑上部墙体，其上墙体厚760mm。教堂外廊墙为尖拱券石柱敞廊，石柱直径为254mm，墙厚380mm，侧廊墙设有尖拱券门窗洞口，墙厚508mm。在原圣台和半圆龛处的墙体厚76Omm。中厅处的屋面采用木拱屋架，
3、屋架下部形成尖拱状的六分拱式，上部形成三角形，其中屋架上部构件继续向斜下延伸，其端部支撑于墙体的顶部，而屋架下部拱式构件部分则向下延伸，其下端坐落于嵌入墙体的石扶壁的柱帽上，与墙体相交的部分伸入墙体7Omm。 二、圣三一基督教堂后期结构改建情况 2.1 教堂部分后期结构改建概况 1977年11月，由上海市黄浦区房屋修缮公司第六工程队对教堂进行了插层改造，其中在教堂中厅部分的侧窗下插建了一层，该插建部分的楼面采用钢筋混凝土预制板楼面，沿横向轴线位置以及3沿纵向轴线位置设置有现浇混凝土梁，梁的截面形状为等腰梯形，截面高度为750mm，上宽500mm，下宽350mm，混凝土梁的两端伸入墙体250mm
4、，梁端还有长100Omm、高500mm的梁垫，梁上设置120mm厚的预制板，上铺水泥砂浆找平层和水磨石面层，下设有木龙骨吊顶。新加混凝土梁伸入墙体的位置与原结构扶壁石柱的位置相同，加层时混凝土梁以上的石柱坐落在新加梁上，混凝土梁以下的石柱被凿除后用素混凝土填充。束柱的柱帽被切断损坏，位于A轴和 H轴处的扶壁石柱被切割。二层墙内侧的突出墙面的窗券拱被凿去。 三、圣三一基督教堂结构目前的损坏状况 3.1 墙体裂缝状况 教堂的绝大部分墙体均未发现裂缝，仅在教堂一层B/10-12轴位置处和3/G轴处出现了较严重的裂缝，该处的屋面上也长有几颗小树，小树的不断生长，树根在墙体中延伸是造成此处墙体开裂的原因
5、。 3.2 木构件腐蚀裂缝和损伤状况 教堂部分大堂中厅上部的木屋架和檩条、格栅等目前基本完好，未发现明显的腐蚀、裂缝和损伤现象，但屋架部分均不同程度存在一定的干裂现象，这些干裂裂缝主要存在于不同木构件之间的契合部位， 位于原圣台和半圆龛位置处的木拱顶下部存在一定的损伤现象，在教堂后期的改建过程中，位于砖拱两侧的扶壁柱上沿的木拱脚破损缺失。 四、分析与评估 根据现场调查和检测结果可以看出，从建筑角度讲，圣三一基督教堂是一座具有典型的哥特复兴式风格的建筑，整个建筑风格虽经百余年的使用，仍然保持浓厚的宗教特色。从整体看，其外部的建筑立面和内部的空间布局均具有十分明显的特色，而从建筑细部看，半圆龛和圣
6、台处屋架采用尖券十字交叉式拱顶，中厅木拱屋架形成尖拱状的六分拱式，其木雕和彩绘十分细腻精致，而教堂正面的中间的大玫瑰窗以及屋檐怪兽状滴水口也很有特色。当然经过多年的使用，钟楼的钟塔、教堂圣台中的讲经台、读经台及雕刻细腻的洗礼池等一些比较有特色的室内特色布局和装饰已在历次改扩建中缺失，但其仍不失为基督教建筑文化的典型代表，具有重要的文物保护价值。 通过调查和现场检测可以看出，教堂部分的结构形式比较接近于单层空旷房屋，从传力体系上看，教堂的竖向传力体系比较明确，即二层屋面的荷载通过屋架传递至两侧的墙体上，屋架的形式比较接近于三铰拱，其构件的截面内力中顺纹压力较大，而弯距较小，传递至墙体上的力为压力
7、和侧推力，为抵抗屋架端部的侧推力，在墙体位于屋架节点处的内外两侧均设置有扶壁柱，两侧低跨的屋面荷载由木檩条传递至两侧墙体之上。木屋架之间存在垂直支撑和水平支撑，整个屋盖的支撑体系比较完善。从教堂部分整体平面看，教堂部分墙体的布置也比较规则，墙体之间的连接可靠。从现场检测对各节点的检查结果表明，木屋盖构件无明显的腐朽、严重开裂、歪斜或变形，节点无松动。砖和砌筑砂浆的强度相对较高，分别相当于强度等级为MU10和M2.5。由于教堂建造在外滩，软土层较厚，地基情况相对较弱，历经百年的使用，在自身影响和周边新建建筑等内外因的影响下，存在一定的不均匀沉降。 五、圣三一教堂结构体系复原关键技术研究 5.1
8、结构体系复原总体思路 圣三一基督堂从建成使用至今已有130多年的时间，期间曾遭到了一定程度的损坏，特别是1977年的改建加层对原有建筑物的破坏最甚。 这次上海建科院受中国基督教三自爱国运动委员会的委托，对本工程的房屋质量作了全面的检测，并对修缮后的使用状态进行了结构验算，认为在拆除了所有插层等后期增加建筑结构，并“对教堂老化损伤耐久性问题以及裂缝、渗漏等影响正常使用的问题进行妥善维修处理后”，“在静力荷载作用下，总体上教堂的安全性可以满足要求”，“教堂可以正常安全使用”。 但是考虑到1977年的改建使原建筑的结构传力体系发生了变化，因此在本次拆除工程中对二层插层（特别是伸入石柱和墙体的混凝土现
9、浇梁）的拆除是使建筑传力体系恢复原状的关键，在混凝土梁拆除期间、以及混凝土梁拆除以后到原有的扶壁石柱恢复之前，整个教堂建筑的安全状况还存在一定的隐患，为确保安全和万无一失，拟对建筑物进行整体保护。 由于教堂建筑的原有“竖向传力体系比较明确”、“墙体的布置比较规则，墙体之间的连接可靠”、“整个屋盖的支撑体系比较完善”；故整体保护方案的设想为：在须拆除插层结构的部位设置支撑体系，并与建筑物其他部位（如侧廊、圣台和半圆龛等）的未受破坏的原有传力体系一起，形成对整个建筑屋的保护体系。 支撑体系包括：对屋盖结构的支撑体系和拟拆除梁的支撑排架体系两部分。其中屋盖结构的支撑体系包括：设置于屋架抵抗屋架侧推力
10、的拉杆系统、防止屋架水平位移的支撑系统以及防止屋盖结构沉降的支撑系统。并在屋盖结构的支撑体系和梁底支撑排架体系通过纵横向杆件的连接形成一个整体的空间支撑体系，来确保建筑物的安全。 具体的支撑体系参见下图： 5.2 结构承载力验算与分析 5.2.1 结构计算模型 本次修缮将拆除原插层部分，恢复原基督教堂功能，因此本次验算针对修缮后的结构形式进行验算，对教堂部分未考虑插层荷载。 5.2.2 荷载与材料强度取值 5.2.2.1 荷载取值 由于原插层拆除后，教堂部分仅为屋面荷载，将屋面恒荷载分为三种，分别取值如下：中厅带屋架的屋面：2.4kN/m2侧廊无屋架的屋面：2.OkN/m2砖拱和混凝土板屋面：
11、3.5kN/m2屋面活荷载取值为0.5kN/m2风荷载：0.55kN/m2 5.2.2.2 材料强度取值 根据现场实测结果，砌筑用的砖强度等级为MU10，砌筑用砂浆强度等级为M2.5。木材采用TC11强度等级。 5.3 结构静力验算 5.3.1 PKPM软件静力验算 用中国建筑科学研究院的结构平面计算机辅助设计软件PMCAD对教堂砖墙的静力承载力进行验算，典型砖墙的验算结果见表5，表中数值表示抗力与效应之比，数值不小于1为满足，不小于0.95为基本满足，小于0.95为不满足，该数值为沿整条轴线墙体抗力与效应之比的最小值。 由表2可知，表中所列数据均大于1.0，教堂各层砖墙的静力承载力满足规范要
12、求。同时对于位于D轴、E 轴的两排承重石柱来说，由于本次改造减轻了其上部传递下来的荷载，其静力承载力也应满足要求。 根据现场检测结果对起控制作用的木构件的承载力进行验算，从木屋架的结构形式分析，其结构可简化为一个三铰拱，因此在木屋架验算时，按三铰拱形式计算内力，结果如表3所示。 由表3可知，目前木构件的承载力满足规范要求。 同时根据规范要求，按单层空旷房间分析时，应考虑风荷载和静荷载的共同作用，偏安全的取其中一品排架进行计算，计算结果如表4所示。 表4 砖墙静力承载力验算结果 由表4可知，表中所列数据均大于1.0，教堂砖墙考虑风荷载和静荷载的共同作用下的承载力满足规范要求。 采用中国建筑科学研
13、究院编制的PKPM系列QITI、JDJG分析程序，来计算墙体的高厚比和抗压承载力对砖木结构墙体进行了补充计算。整体模型如下图 采用中国建筑科学研究院的结构平面计算机辅助设计软件PMCAD对教堂砖墙的静力承载力进行验算，教堂各层砖墙的静力承载力满足规范要求。按三铰拱形式对木屋架进行验算，木构件的承载力满足规范要求。同时根据规范要求，按单层空旷房间分析时，考虑风荷载和静荷载的共同作用，偏安全的取其中一品排架进行计算，教堂砖墙考虑风荷载和静荷载的共同作用下的承载力满足规范要求。 按教堂修缮后的使用状态的结构验算表明，在静力荷载作用下，总体上教堂的安全性可以满足要求，多数墙体、木构件的静力承载力有一定
14、富裕。在对教堂老化损伤耐久性问题以及裂缝、渗漏等影响正常使用的问题进行妥善维修处理后，教堂可以正常安全使用。 5.3.2 结合ANSYS软件进行补充验算 为了进一步分析原建筑在后期插层搭建后的受力分析，采用ANSYS通用有限元对其进行补充分析，由于教堂在东西南北两主轴方向，沿轴线方向构件分布均匀，受力沿轴线方向一致，故采用沿东西主轴方向取BG轴代表性剖面建立二维模型进行有限元分析。模型采用ANSYS三维梁单元BEAM188，BEAM188 适用于分析细长的梁。 元素是基于Timoshenko 梁理论的。 具有扭切变形效果。 BEAM188 是一个二节点的三维线性梁。 BEAM188 在每个节点
15、上有6或7个自由度， 此元素能很好的应用于线性，大偏转，大应力的非线性分析。 BEAM188 能够定义任何截面形状。弹性（elasticity），蠕变（ creep），和塑性（ plasticity） 模型都是允许的。 材料属性定义：弹性模量3.0105 MPa，泊松比0.3，密度2.5103Kg/m3，ansys中单位统一如下： 力单位：N ，长度单位：mm ，重力加速度：9800 mm/s2 ，密度t/mm3， 各构件截面如下图所示： 图19：受恒载作用下结构内部等效应力云图 通过ANSYS有限元软件对一品结构进行验算，得到结构最大竖向位移1.769mm位于后加建梁跨中，最大水平位移0.4
16、62mm，位于屋架处，最大等效应力为2.076Mpa，位于后加建梁，位于石柱及周边砖柱处的最大等效应力为0.8Mpa，均小于各构件容许应力范围内，结构处于安全状态 5.3 结构复原施工 5.3.1总体施工流程 5.3.1结构体系复原前的加固施工 本次支撑方案包括对原建筑木屋架的支撑，对拟拆除的混凝土（钢）梁的支撑，以及屋架间纵向剪刀支撑三部分，并且将这三部分支撑与原结构连成整体，提高结构整体刚度。总体部署如下： 木屋架支撑：由于后加混凝土（钢）梁拆除后，木屋架底部将失去竖向支撑构件，必须在拆除混凝土梁之前提供临时支撑系统，并且在屋架底部设置水平拉杆用以抵消拱屋架产生的水平推力。 屋架间纵向剪刀
17、支撑：为了防止在拆除过程中，木屋架产生平面外失稳，在屋架纵向方向设置剪刀撑，将各榀屋架连成整体，以提高整体刚度。 拆除混凝土（钢）梁支撑：为混凝土（钢）梁破碎拆除提供临时支撑平台。 5.3.2 后加建插层结构拆除施工 1、拆除顺序及步骤 （1）为确保结构整体稳定，依次从建筑整体刚度较小一侧向刚度较大一侧顺序拆除。 （2）在结构拆除前事先对其进行卸荷，对附着在结构上的装饰构件，如吊顶、地面装饰等进行拆除后再进行结构拆除。 2、拆除的原则和控制重点 为确保不对原有建筑造成损坏及不良影响，故在拆除方法的选择上，全部采用人工拆除。在拆除过程中，尽量采用切割机具及小铁锤等简单机具来解体和破碎建筑物。 在
18、拆除施工过程中，应采取措施尽量减小对主体结构的影响和对需保留的建筑装饰的保护，确保主体结构在拆除过程中的安全。如搭设必要的支撑，防止屋架变形，避免梁、板拆除过程中的悬臂而产生上撬力等；所有与原建筑物连接的构件均采用“先分离，后拆除”的方法，最后用手工小心地凿（切）掉外伸部分，伸进墙、石柱的梁板保留，并不得扰动原承重墙体。 在拆除过程中，对承重墙体和石柱中原有裂缝的开展情况以及新产生的裂缝、承重墙体和石柱的垂直度、整个建筑物的沉降和倾斜、木屋架的损伤及裂缝情况进行跟踪检测。 5.3.2 结构体系的复原 1.屋架构件调换与加固 对发生严重腐蚀屋架木肋拱构件，采用同材质、同规格的木构件作调换处理。
19、对砖拱两侧的扶壁石柱上沿的破损缺失木肋拱拱脚，采用同材质的木料按木拱脚原样重新制作木拱脚后，下端支撑在扶壁柱的柱帽上，上端与原木拱可靠连接，使之与原构件构成统一的整体。 在教堂原来进行修缮时，曾采用U型钢箍对当时发现的木屋架存在裂缝的部位进行过加固，由于钢箍突出于木构件表面，使这座哥特式建筑的装饰外观存在着缺憾。所以在本次的结构修缮中，要对先前屋架木构件加固采用的U型钢箍进行拆除，然后对所有存在裂缝的部位（包括原来已加固过的和新发现的裂缝部位），采用碳纤维布进行封闭式的缠绕粘贴加固，以有效解决木屋架等木构件中存在的纵向裂缝问题，保证木构件的整体受力，并避免因加固对建筑装饰带来遗憾。 2.扶壁石
20、柱恢复 1977年的插层加建，使教堂原有结构受力体系受到了破坏。原建筑的屋面荷载通过屋架传递到扶壁石柱，由扶壁石柱传递到砖柱，再由砖柱传递到基础；而插层的现浇混凝土梁使扶壁石柱被截断，梁底以下的扶壁石柱被去除，这样就使得教堂原有结构受力状况发生了改变。本次修缮施工时，将对现浇混凝土梁拆除后，如不按原状恢复屋架支承点下部的扶壁石柱，教堂的原有结构传力体系将无法得到恢复。因此，恢复1977年加建插层时被破坏的扶壁石柱是结构加固工程的主要内容之一。 先凿除扶壁石柱部位的混凝土梁残端、混凝土梁垫以及梁下部被去除的扶壁石柱后填充的混凝土；埋入按原样预先加工定制的石柱，并用粘接材料与原墙体和上端石柱进行连
21、接；嵌实扶壁石柱两侧和底部的缝隙；然后对扶壁石柱边的清水砖墙进行修复。 6、结语 本文结合圣三一教堂结构加固修复项目，探讨了文物保护建筑结构体系复原施工工艺问题，详细的描述了文物保护建筑结构体系复原过程中的保护性加固，“抽梁换柱”施工（对整个屋架体系进行整体保护支撑，随后拆除后加建结构插层），并利用有限元分析程序ANSYSY、PKPM对工程实例进行分析验算。运用有限元方法取得了各主要节点的受力变形数据，确保了保护性加固合理正确的实施。对保护建筑结构置换与修复提供了借鉴与参考 参考文献： 1 建筑结构荷载规范GB5009-2001，北京：中国建筑工业出版社，2001 2 卫龙武等，建筑物评估加固和改造 南京：江苏科学技术出版社，1992 3 木结构设计规范GB50005-2003，北京：中国建筑工业出版社，2003 4 建筑抗震设计规范GB50011-2001. 北京： 中国建筑工业出版社 ，2002第 12 页 共 12 页
