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1、圣索菲亚教堂的结构安全性检测与鉴定陈建华I*王有军I王公山I崔晓伟I王国兴2房德威I石开明I于大治I张大治I刘磊I（1.黑龙江省寒地建筑科学研究院，哈尔滨，I5OO8O：2.哈尔滨工业大学，哈尔滨，150090）摘要：圣索菲亚教堂是远东地区最大的东正教堂，建于上世纪30年代，距今已有70余年的历史，为国家重点文物保护建筑，也是哈尔滨市的重要标志性建筑和旅游景观。由于建造年代较久远，该教堂材料、构件和结构的老化、损伤比较严重，结构整体安全性不足，为此对教堂结构的安全性进行了检测和鉴定，借此工程实例初步探讨对保护性建筑的检测和鉴定方法。关键词：保护建筑，损伤，安全性，检测，鉴定中图分类号：TU31
2、1.2文献标志码：B文章编号：TheDetection&AppraisalontheStructureSafetyofSanSophiaChurchChenJian-hua1*WangYou-junlWangGong-shan1CuiXiao-wei1WangGuo-xing2FangDe-wei1ShiKai-ming,Yuda-zhi,ZhangDa-zhi,LiuLei1（1.HeilongjiangProvinceAcademyOfColdRegionBuildingResearch,Harbin,150080;2.HarbinInstituteOfTechnology,Harbin,
3、150090）AbstractSanSophiaChurchisthelargestorthodoxchurchintheFareastarea,whichwasbuiltin1930shavingmorethan70years,historysofar.Itisanationalimportantculturerelicandprotectedbuilding,alsotheimportantrepresentationalbuildingandsightfortour.Theaginganddamageofthematerials,membersandstructurearemoresev
4、eritybecausethechurchwasold-line,leadtothesecurityofstructureislack.Thereforewemadesomedetectionandappraisalaboutthesecurityofstructure,andmadeapreliminarydiscussionaboutthedetectionandappraisalmethodsofprotectedbuildingbytheprotectinstanceinthisarticle.KeywordsProtectivebiulding,Damage,Safety,Detec
5、tion,Appraisal1建筑物概况及历史圣索菲亚教堂位于哈尔滨市道里区地段街、透笼街、兆麟街及喇嘛台胡同合围的街区内，该教堂始建于1907年3月，1923年9月在旧址第二次重建，1932年11月落成，距今已有70余年的历史，为哈尔滨市I类保护建筑、国家重点文物保护建筑。该教堂平面布局为典型的希腊十字式布局，落地面积721n,总高度为48.922m,教堂建筑风格属“后期拜占庭样式”，外观效果如图1所示。结构质式：砖混结构，主体结构竖向分体系主要承重构件为砖墙和砖柱，主体结构水平分体系主要承重构件为砖砌圆弧拱结构以及混凝土薄壳结构，基础形式为毛石条形基础，所有砌筑砂浆均为白灰黏土砂浆。由于建
6、造年代较久远，该教堂材料、构件和结构的老化、损伤比较严重，结构整体安全性不足。因建筑物地基发生不均匀沉降，造成部分基础、墙体及砖拱产生开裂破坏现象，裂缝分布区域均集中在教堂平面十字布局中心线附近，裂缝均属于穿透性裂缝，且呈下宽上窄形态，墙体砌筑砂浆的作者介绍：陈建华（1978），男，工程加强度很低、腐蚀较严重，混凝土穹顶受雨水侵蚀较严重，屋盖的木结构屋架也多处损坏。为确保该教堂今后的使用安全，对该教堂的结构安全性进行检测鉴定。图1圣索菲亚教堂外观2建筑结构现场测绘圣索菲亚教堂建成至今已有70余年的历史，原始设计资料多数己经遗失，仅存部分建筑方案图。为了解教堂整体结构的实际情况，本次检测进行了现
7、场测绘工作，并对现存原设计图纸进行了核实和补充，按现行制图标准重新绘制了建筑平面图及剖面图（见图2及图3）。图2圣索菲亚教堂平面测绘图图3圣索菲亚教堂剖面测绘图图4砌体构件破损状况3结构系统及构件的现场检测3.1 地基基础检测因该教堂无地勘资料，故本次检测对该工程建设场地进行了地质勘察工作，并在现场选择了有代表性的三处基础进行了开挖实测。根据钻探和坑探结果可知，该教堂基础持力层为粉质粘土层(局部夹粉细砂)，该土层呈软可塑状态，局部软塑状态，压缩系数a-2=0.34,属中压缩性土层，该层地基土承载力特征值为fak=13OKpa:基础形式为毛石条形基础，基底宽度为120Omm1980mm不等,基础
8、埋深2.8m；基础砌筑砂浆为石灰砂浆，表层砂浆粉化现象比较严重，粉化深度约50mm,砌筑毛石质量较好，沿教堂十字布局中心线与两侧外纵墙相交处，墙下基础有竖向裂缝，裂缝宽度约为5mm,该裂缝与上部对应墙体裂缝呈竖向连通分布状态。3.2 上部承重结构检测3.2.1 砌体强度检测因该教堂为国家一级文物保护建筑，所以为了保持其原貌及结构完整性，必须采用对原有结构构件破损程度最小的检测方法进行检测。根据砌体工程现场检测技术标准(GB/T50315-2000)相关规定，本次检测采用回弹法进行砌筑块体测强、采用贯入法及筒压法进行砌筑砂浆测强。测得的块体抗压强度为IOMPa,砌筑砂浆抗压强度为2.50MPa3
9、.04MPa,3.2.2 构件老化损伤检测教堂承重墙体及拱体有较多部位损坏，室外墙面有风化、腐蚀、鸟啄、雨水侵蚀和部分砖块脱落现象；室内墙面及拱体表面有腐蚀、雨水侵蚀、灰缝酥松、抹灰层脱落现象。多数墙体及主拱结构存在裂缝现象，以教堂十字布局中心线对应位置的墙体及拱体最为严重；墙体裂缝均属于穿透性裂缝，且呈下宽上窄形态，裂缝宽度约为0.58mm,该裂缝与下部对应基础裂缝呈竖向连通分布状态；拱体裂缝均位于拱顶部，裂缝方向几乎为竖直方向，裂缝呈下宽上窄形态，裂缝宽度约为1.57mm,部分裂缝沿拱体顶部横截面已经裂透；为了解裂缝的稳定性，检测期间对墙体及拱体裂缝均粘贴了石膏饼进行裂缝稳定性观测。砌体构
10、件破损状况见图4。3.3 围护系统的承重部分检测3.3.1 混凝土结构穹顶教堂共有九个大跨度屋盖采用了穹顶结构，上述穹顶均为混凝土薄壳结构，其中主厅穹顶、两个附厅穹顶以及后厅穹顶均为底平面四边形球面壳，主圣所穹顶、两个附圣所穹顶以及两个附唱诗台穹顶均为底平面半圆形球面壳。因该教堂属文物保护建筑，且混凝土穹顶为主要受力构件，一般破损性混凝土强度检测方法不宜使用，考虑到现场条件限制，仅使用回弹法进行混凝土强度检测，现场在各穹顶上布置了42个测区，测得混凝土的平均碳化深度为25mm,混凝土抗压强度为16.17MPa17.88MPa。除主厅穹顶结构保存比较完好之外，其余几处穹顶均有不同程度的损坏，主要
11、有抹灰层空鼓、粉化、剥落以及雨水侵蚀等现象，而且此类现象以穹顶底部边缘与砖墙交界处最为严重。混凝土穹顶破损状况见图5。图5混凝土穹顶破损状况3.3.2 屋顶造型木结构桁架教堂屋面“洋葱头顶”及“帐篷顶”造型内部承重结构均为木桁架结构。该部分木结构保存比较完好，穹顶内部通风状况较好，木桁架结构构件所处环境比较干燥，几乎没有木质腐朽现象，但个别杆件有裂缝、斜纹等现象，木桁架节点连接构造比较稳固、但连接螺栓及扒钉等铁件有轻微锈蚀现象。4结构系统安全性能评估根据检测结果，并按照现行民用建筑可靠性鉴定标准(GB50292-1999)的规定，对各结构子单元的安全性等级给予评定。4.1 地基基础安全性评定4
12、.1.1 按承载力、地基变形、地基稳定性等检查项目评定(1)地基承载力检查项目：现场补勘测得的地质工程资料，按现场实测基础宽度进行持力层地基承载力验算，验算结果表明，该教堂持力层地基承载力满足现行地基基础设计规范要求。该检查项目评定为AU级。(2)地基变形检查项目：通过对教堂上部结构的裂缝位置及形态进行分析可知，该教堂上部结构裂缝是地基不均匀沉降导致的结果。首先，从教堂的建筑平面布局及建筑风格方面分析，该教堂平面布局为“希腊十字式布局”，建筑风格为“后期拜占庭样式”，这就决定了教堂的形体为中部高大穹顶统帅四角小穹顶的样式，其形体布局结果在结构上的反映就是建筑物中部质量较大，周围四角质量较小，由
13、于基础宽度基本一致，导致建筑场地地基内产生的附加应力也是中部大、周围小，即等应力曲线应该是盆形状态；其次，从周围环境干扰因素方面分析，当周围环境因素(如：周围建筑工程的深基坑施工、降水等因素)对教堂地基产生干扰时，由于地基原本就存在应力分布不均匀现象,再加上新的附加应力的产生，教堂地基就会产生不均匀沉降，即上部结构中部沉降量较大，周边沉降量较小，因此教堂结构沿十字布局中心线发生弯曲变形，同时，沉降差使砌体产生相对位移，从而使砌体中产生附加的拉应力或剪应力，当这种附加内力超过砌体的强度时，砌体中便产生裂缝。这种不均匀沉降引起的裂缝在普通砖混结构建筑物上的形态，一般是承重墙体产生“正八字”形裂缝，
14、而对于该教堂，因其建筑风格决定了其主要结构体系为：巨型穹顶通过四面砖砌主拱支撑在四个独立的砖砌支柱上的集中式结构形式，因此，不均匀沉降裂缝均发生在支撑巨型穹顶的四面主拱(即教堂十字布局中心线对应位置)的拱顶部，裂缝呈下宽上窄形态，开裂后的拱体计算模型由原设计的两校拱变成了三较拱，拱脚部位由于计算模型的改变而产生了水平推力，该推力会加剧拱顶竖向裂缝的发展。当周围环境产生的不利因素消失以后，地基经过一段时间的重新固结并达到稳定状态，不均匀沉降现象也会随之停止，上部结构的裂缝也不会再继续发展，因结构内部的附加应力从裂缝处得到释放，使得教堂整体结构重新保持相对平衡稳定的状态。本次检测工作是2005年9
15、月初开始的，当时对产生裂缝的构件进行了粘贴石膏饼观测，检测期间内的观测结果表明，裂缝无发展迹象；2005年12月中旬重新对所贴石膏饼进行观测并发现，所有石膏饼均未开裂。观测结果表明，目前教堂整体结构仍旧处于相对平衡稳定的状态，据此判断，教堂地基不均匀沉降己经终止，地基处于稳定状态。根据综合分析结果，该检查项目评定为AU级。(3)地基稳定性检查项目：现场调查及地质勘察结果表明，该建筑场地地基稳定，无滑动迹象及滑动史。该检查项目评定为AU级。4.1.2 按基础评定该教堂墙下基础为毛石条形基础，经验算，其承载能力满足国家现行规范要求，砌筑方式及台阶高宽比均符合国家现行规范要求，检杳过程中发现，该教堂
16、多道承重墙基础有地基不均匀沉降引起的非受力裂缝，最大裂缝宽度已大于5mm,该裂缝应视为不适于继续承载的裂缝，该部分基础应评定为CU级，但CU级基础含量不大于15%,因此，综合评定该教堂基础的安全性等级为BU级。4.1.3地基基础子单元安全性评定综合各构件及各检查项目的评定结果，该教堂地基基础子单元的安全性等级评定为BU级。4.2 上部承重结构安全性评定4.2.1 承重墙体(1)子项评级承载能力：根据现场实测砌体强度数据，对承重墙体抗压承载力进行验算，经验算构件的抗力R与作用效应S之比(RyoS)为1.281.97,根据验算结果，该子项评定为all级。构造和连接：经验算，该教堂承重墙体高厚比满足
17、国家现行规范要求；连接及砌筑方式正确，工作无异常，该子项评定为all级。裂缝：检查过程中发现，该教堂多道承重墙有地基不均匀沉降引起的非受力裂缝，最大裂缝宽度已大于5mm,该裂缝应视为不适于继续承载的裂缝，该子项评定为CU级，应采取必要的处理措施。变形：检查过程中未发现承重墙体有不适于继续承载的位移或变形，该子项评定为all级。(2)项目评级：根据承载能力、构造和连接、裂缝、变形4个子项的等级，承重墙项目评定为CU级，应采取处理措施，且可能有个别构件必须立即采取措施。4.2.2 主拱结构(1)子项评级承载能力：根据现场实测砌体强度数据，对主拱结构承载力进行验算，经验算构件的抗力R与作用效应S之比
18、(RoS)为1.303.55,根据验算结果，该子项评定为all级。构造和连接：连接及砌筑方式正确，仅有局部表面缺陷，工作无异常，该子项评定为凤级。裂缝：检查过程中发现，该教堂多数主拱跨中截面有地基不均匀沉降引起的非受力裂缝，最大裂缝宽度已大于5mm,该裂缝应视为不适于继续承载的裂缝，该子项评定为CU级，应采取必要的处理措施。变形：检查过程中未发现承重墙体有不适于继续承载的位移或变形，该子项评定为all级。(2)项目评级：根据承载能力、构造和连接、裂缝、变形4个子项的等级，主拱结构项目评定为CU级，应采取处理措施，且可能有个别构件必须立即采取措施。4.3 围护系统的承重部分安全性评定4.3.1
19、混凝土结构穹顶该教堂混凝土结构穹顶部分结构形式和构件截面选择基本正确，传力路线合理，承载能力满足国家现行设计规范要求；连接方式正确，构造符合国家现行设计规范要求，但个别部位连接不够稳固，部分穹顶根部有砌体支座腐蚀、裂缝等现象；此次检查过程中未发现穹顶结构有较大的裂缝(宽度05mm)和变形(挠度H250).综合评定该教堂混凝土结构穹顶的安全性等级为CU级，对产生缺陷的构件应采取适当的加固措施。4.3.2 穹顶木结构桁架该教堂穹顶木桁架结构布置和支撑布置基本合理，结构形式和构件截面选择基本正确，传力路线合理；结构构造和连接正确，基本符合国家现行设计规范要求，但个别木构件有斜裂缝现象，且裂缝斜率p2
20、0%,结构所处环境通风良好，工作无异常；构件的位移(或变形)均小于国家现行设计规范要求的最低限值；因此，综合评定该教堂穹顶木屋架结构的安全性等级为BU级，对产生斜裂缝的杆件应采取适当的加固措施。4.3.3 围护系统承重部分子单元安全性评定综合各构件及各检查项目的评定结果，该教堂围护系统承重部分子单元的安全性等级评定为CU级。4.4 鉴定单元安全性评定综合各子单元的安全性等级，该教堂的安全性等级评定为CsU级，按民用建筑可靠性鉴定标准(GB50292-1999)的相关规定，该教堂应采取适当加固措施，且有少数构件必须立即采取措施，以确保建筑物的安全。5结束语由于历史、文化及地域等原因，哈尔滨市保留
21、了大批建于上世纪初叶的优秀建筑群落，它们多数都属于文物保护建筑。由于建造年代较久远，该部分建筑在材料、构件和结构的老化、损伤方面均比较严重，结构整体安全性均不满足现行相关规范的要求，因此必须进行完善的检测鉴定，科学地评估其结构现状以及构件损伤的规律，以便采取有效的加固处理措施，以延缓结构损伤的进程，达到延长结构使用寿命的目的。本次检测鉴定过程中，由于圣索菲亚教堂的建筑形体变化非常复杂，多数部位因受保护而不能进行破损检测，检测期间还不能影响教堂的正常参观营业，上述多种因素均给后面的平面测绘、结构检测以及结构验算分析带来了诸多困难。在这次检测鉴定过程中，有以下几点体会：5.1 保护性建筑的检测鉴定
22、是一项综合性很强的系统工程，具有涉及范围广、检测难度大、鉴定责任重大等特点，因此，鉴定之前，必须由具有一定经验的人员组成一个鉴定工作组，并制定出科学、严密的检测鉴定方案，检测过程中，若出现检测受限或其他异常情况时应及时反馈给鉴定工作组总负责人，以便调整、优化检测方案，保证检测鉴定工作的顺利进行。5.2 在保护性建筑的检测鉴定过程中，既要利用科学的检测手段，使建筑物的破损量达到最小，同时，尚应保证检测数据的代表性和可靠性，以便对建筑物的安全性进行科学合理的评价。本次检测鉴定工作以及本文的撰写过程中，哈尔滨工业大学土木工程学院唐岱新教授、哈尔滨市建设工程质量监督站原站长夏学书教授级高工、哈尔滨市建筑设计院曹升铉教授级高工和程岩教授级高工予以很大的鼓励、关心、支持与帮助，谨此一并表示由衷的感谢。参考文献：1民用建筑可靠性鉴定标准(GB50292-1999)2砌体工程现场检测技术标准(GB/T50315-2000)3建筑变形测量规程(JGJ/T8-97)4贯入法检测砌筑砂浆抗压强度技术规程(JGJ/T136-2001)5袁海军，姜红.建筑结构检测鉴定与加固手册.北京：中国建筑工业出版社，20036赵香花，谢受云，端木凌云，李同超.房屋建筑的维修与养护.郑州：黄河水利出版社，2002.11
