杭州閘口鐵塔雕鑿技藝

杭州閘口鐵塔雕鑿技藝

1古鉆石結(jié)構(gòu)的安全現(xiàn)狀評估古塔建筑是傳統(tǒng)文化的活化石和工藝精神的結(jié)晶，其保護價值顯而易見。當前，諸多學者針對古石塔建筑的形制本文結(jié)合杭州閘口白塔文物建筑實例，通過現(xiàn)場勘查及多種無損檢測方法，結(jié)合有限元計算分析，對千年古石塔的結(jié)構(gòu)安全現(xiàn)狀進行綜合評估，有針對性地提出修繕保護建議。作為古石塔建筑的典型代表，閘口白塔的結(jié)構(gòu)安全評估中所采用的技術(shù)方法，對同類建筑具有一定參考和指導意義。2門牙的基本結(jié)構(gòu)2.1基、根據(jù)石景閘口白塔（圖1）為仿木結(jié)構(gòu)樓閣式石塔，由漢白玉雕鑿、堆疊而成，通高14.4m，自下而上分臺基、塔基、塔身、塔剎。臺基呈正八邊形，外部用條石堆砌；塔基立于臺基之上，其下部為磐石，上部稱須彌座，自下而上稱合蓮石、束腰和疊澀石；九層塔身立于須彌座上，由平座、正身和腰檐組成，正身各面刻有石門及佛像；塔剎立于九層腰檐之上，仿原塔剎式樣，自下而上依次有合蓮花覆缽、六連珠、仰蓮及兩重相輪，外設(shè)不銹鋼保護罩。2.2相關(guān)文物修復閘口白塔的具體營造年代，無確鑿史料記載。后代學者根據(jù)建筑風格和營造手法，推斷其建造于五代吳越后期自閘口白塔被列為文物保護單位以來，進行了多次修繕。塔基缺損裂隙水泥修補、塔身黑垢清除、塔身有機硅加固等，頗具保護成效。但在2014年，閘口白塔遭雷擊，結(jié)構(gòu)拼縫拉脫、裂隙開展、石材缺損嚴重，隨后采取裂縫表面封堵、塔身打扁鋼箍、設(shè)避雷裝置等方式搶險加固。當前，閘口白塔沿線道路車輛絡(luò)繹不絕，道路改造提升施工在即，現(xiàn)代文明正沖擊著千年古石塔的結(jié)構(gòu)安全。3現(xiàn)場檢測和測試3.1結(jié)構(gòu)補充面結(jié)構(gòu)閘口白塔由塊石分層堆砌，拼縫節(jié)理眾多，易形成裂隙導致缺損?，F(xiàn)場通過無人機逐層拍攝進行表觀缺損勘察，結(jié)果顯示：1）磐石東南面、西南面，二層腰檐西南面，五層平座東北面，六層腰檐及七層平座的東北面，八層平座及正身的東北面，上述因雷擊而大面積缺損區(qū)域已用石材修補，結(jié)構(gòu)拼縫拉脫處也已用砂漿填補，塔身采取了打扁箍的方式進行加固（圖2）。2）當前仍有明顯缺損的區(qū)域：塔基部分，磐石西北面、合蓮石南面、疊澀石西面明顯缺損（圖3）；塔身部分，正身相對完好，四層北面、五層東南面、七層南面的平座缺損，腰檐缺損普遍（圖4）。3）塔體各面均存在風化現(xiàn)象，尤其西面、西南面的風化較嚴重（圖5）。3.2塔基變形和根據(jù)檢測古塔類建筑重量大且多數(shù)無可靠地基基礎(chǔ)，普遍存在傾斜問題考慮到塔基束腰截面較規(guī)則，采用差異沉降推算法測量塔基變形。檢測時，將束腰的八個角依次編為測點A-H（圖6），用激光水平儀確定水準線，測量各測點至水準線的距離并計算相對高程，由相對高程差可得塔基變形情況，結(jié)果見表1。經(jīng)測算，塔基向西傾斜0.88%，向南傾斜1.54%，整體向西南方向傾斜1.77%。考慮到腰檐缺損嚴重，現(xiàn)場難以確定豎向中軸線，且塔頂不易懸掛線錘，直接測量難度大。塔身傾斜測量，采用吊線錘與近景攝影相結(jié)合的方法。檢測時，以垂吊的線錘為豎向基準參照，分別沿東西向、南北向拍攝立面照片，導入AutoCAD軟件，根據(jù)自身結(jié)構(gòu)對稱性，由圖片確定塔身豎向中軸線，量取豎向中軸線與基準鉛垂線間的偏移量（圖7、圖8），根據(jù)圖中與實測長度的比例關(guān)系換算偏移量，得到塔身實際傾斜量。經(jīng)測算，塔身向西傾斜1.06%，向南傾斜1.54%，整體向西南方向傾斜1.87%。對比塔基變形和塔身傾斜測量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當前閘口白塔整體向西南傾斜，且塔基變形與塔身傾斜基本一致。由此確認，塔身傾斜由基礎(chǔ)不均勻沉降引起。3.3格蘭普組合項目所使用的損害賠償對策古塔類建筑長期日曬雨淋，普遍存在風化、侵蝕問題。根據(jù)文物建筑保護原則，對古塔石材的檢測，不宜采用回彈、取樣等有損方式。根據(jù)石材參數(shù)與超聲波波速的相關(guān)性3.4反射面為網(wǎng)絡(luò)圖像的探測法探測塔基虛實情況雷達探測快速、便捷、精度高，是一種無損檢測方式。檢測時，通過寬頻帶短脈沖高頻電磁波的發(fā)射，經(jīng)探測介質(zhì)反射，由天線接收并記錄時間，結(jié)合波速求出反射面深度，通過深轉(zhuǎn)換形成波形圖像，實現(xiàn)對塔基密實情況的探測。根據(jù)臺基頂面（圖9）、平臺石板地面（圖10）測線的剖面波形圖，可推測：1）塔基頂向下1.8m以內(nèi)為山體基巖或完整石材，塔基邊緣向內(nèi)約0.6m為碎石雜填土；2）塔基頂向下3m為底部基巖風化或處理過的地基，無明顯空洞及不密實區(qū)；3）塔基頂向下5m主要為風化的山體結(jié)構(gòu)，基本密實，無明顯缺陷。3.5振動測試結(jié)果分析當前，白塔嶺沿線道路距離近、車流量大，且道路改造施工作業(yè)在即，引起的環(huán)境振動可對閘口白塔的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。參照全國重點文物保護單位古建筑石結(jié)構(gòu)的容許振動范圍，當石材彈性波波速大于2900m/s時，要求承重結(jié)構(gòu)最高處的水平振動速度不大于0.25mm/s塔頂測點布置根據(jù)振動測試時程曲線（圖12-圖15），經(jīng)分析可以得到：1）測試期間，重型混凝土攪拌車途經(jīng)之江路時引起的振動較老復興路的影響更顯著；2）測試期間，塔頂?shù)乃秸駝铀俣茸畲笾禐?.069mm/s，在標準允許范圍之內(nèi)。當前周邊交通引起的環(huán)境振動，短期內(nèi)對閘口白塔的安全沒有顯著影響。4計算與分析的有限域4.1束腰和司法作用下根據(jù)力學性能原理分析根據(jù)根據(jù)現(xiàn)場實測及歷史測繪數(shù)據(jù)通過對結(jié)構(gòu)在自重、等效靜力風載（100年重現(xiàn)期）作用下的有限元分析，由圖17、圖18可得：1）僅自重作用下，塔身結(jié)構(gòu)最大壓應力0.488MPa，出現(xiàn)于束腰底部，遠小于石材抗壓強度；最大變形1.17mm，變形量極小。2）自重和等效靜力風載共同作用下，塔身結(jié)構(gòu)最大壓應力0.645MPa，出現(xiàn)于束腰底部，仍遠小于石材抗壓強度；最大變形1.68mm，變形量較小。4.2多遇、防和惡性事件下結(jié)構(gòu)抗震性能評估閘口白塔地處杭州市上城區(qū)白塔嶺，屬Ⅱ類場地，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計基本加速度0.10g，設(shè)計地震分組為第一組。從PEER數(shù)據(jù)庫篩選實際強震記錄，擬合人工地震動（表2）。通過所選取地震動平均譜和目標譜的對比（圖19），在結(jié)構(gòu)第一振型對應周期上，平均譜加速度0.241g，目標譜加速度0.23g，相差4.78%，滿足規(guī)范根據(jù)有效持時要求，截取兩條實際強震記錄各20s，均包含最大峰值部分。三條地震動加速度時程曲線見圖20。根據(jù)加速度峰值要求，利用PGA法對地震動調(diào)幅，按抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計基本地震加速度0.10g，將輸入地震動的加速度峰值分別調(diào)至35gal（多遇地震）、100gal（設(shè)防地震）和220gal（罕遇地震）。采用瑞利阻尼定義阻尼參數(shù)，阻尼系數(shù)Alpha=6.65592、Beta=0.00025。分別進行多遇、設(shè)防和罕遇地震作用下的動力時程分析，其中設(shè)防地震下的塔頂位移時程見圖21。在設(shè)防地震下，EQ1引起塔頂位移峰值36.38mm,EQ2引起塔頂位移峰值33.08mm,EQ3引起塔頂位移峰值31.20mm。建筑結(jié)構(gòu)抗震性能評估可采用極限位移和極限承載力兩種評估方式。研究表明根據(jù)動力時程分析結(jié)果，計算得到多遇、設(shè)防和罕遇地震作用下塔身結(jié)構(gòu)的層間位移角（表4、圖22）。根據(jù)三條地震動引起的塔身結(jié)構(gòu)各層最大層間位移角，按極限位移評估準則評判，可以得到：1）多遇地震作用下，塔身九層結(jié)構(gòu)輕微破壞；其余部分處于完好狀態(tài)，能有效抵御多遇地震作用。2）設(shè)防地震作用下，塔身三層至七層的層間位移角位于1/565～1/360之間，七層及以上部分的層間位移角位于1/360～1/260之間，預計結(jié)構(gòu)將發(fā)生中等程度破壞。3）罕遇地震作用下，塔身四層及以上部分的層間位移角均超過層間位移極限，塔身結(jié)構(gòu)無法抵御罕遇地震作用，預計將發(fā)生嚴重破壞甚至倒塌。5結(jié)構(gòu)安全評估5.1安全風險分析根據(jù)勘察、檢測與分析，對閘口白塔的結(jié)構(gòu)安全做出評估：1）雷擊所致大面積缺損、結(jié)構(gòu)拼縫拉脫等問題已通過石材修補、砂漿封堵、打扁箍等方式處理。然而，塔基、平座部分仍有多處明顯缺損，腰檐部分缺損甚是嚴重，且塔身內(nèi)部存在裂縫。裂縫、缺損問題當前已影響到結(jié)構(gòu)整體性，且將長期存在，易發(fā)展為整體結(jié)構(gòu)安全的潛在危險源。2）石材存在一定風化，風化層主要集中于表層，西面、西南面的風化問題較嚴重?？梢灶A見，在今后持續(xù)的日曬雨淋下，風化問題將凸顯，影響結(jié)構(gòu)的耐久性。3）白塔嶺山體巖層基本密實，無空洞等明顯缺陷。但因地基基礎(chǔ)的不均勻沉降，閘口白塔已存在整體向西南方向1.87%的傾斜。考慮到塔身結(jié)構(gòu)松散、整體性較差，傾斜對整體結(jié)構(gòu)安全有不利影響。4）有限元分析表明，在常規(guī)荷載作用下，塔身應力遠小于石材強度，結(jié)構(gòu)變形極小。然而，石材自身節(jié)理發(fā)育、裂隙開展，易引起破碎、掉落，進一步導致缺損區(qū)的延展，對局部結(jié)構(gòu)安全造成一定隱患。5）塔身結(jié)構(gòu)能較為有效地抵御多遇地震作用，但在設(shè)防地震作用下，預計將發(fā)生中等程度的破壞，結(jié)構(gòu)無法抵御罕遇地震作用。6）當前，閘口白塔因周邊正常交通引起的環(huán)境振動在標準允許范圍之內(nèi)，短時間內(nèi)對安全影響不大。但周邊道路施工過程中仍需嚴格控制施工振動，確保塔身振動在國家標準范圍之內(nèi)。5.2環(huán)境權(quán)能加固裝置根據(jù)結(jié)構(gòu)安全評估結(jié)果，在盡可能保持閘口白塔原風貌的基礎(chǔ)上，為確保結(jié)構(gòu)安全性，應對沿線道路改造施工影響，提出如下建議：1）結(jié)構(gòu)復位修補。建議對存在明顯缺損的塔基、平座部位進行結(jié)構(gòu)復位修補，選用同類石材作為復位修補材料，在粘結(jié)面先行錨固，再通過粘結(jié)材料粘結(jié)，支承裝置固定，確保復位修補可靠性。2）裂縫灌漿加固。對于結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫，可采用注入灌漿法，由結(jié)構(gòu)縫上部注入糯米灰漿，充分填補裂縫間隙，提升結(jié)構(gòu)整體性。對于結(jié)構(gòu)表層裂隙，可采用嵌縫灌漿法，在表層裂隙處填補環(huán)氧膠泥，防止裂隙進一步開展。3）石材表面清洗。對石材表面的灰塵、微生物等進行手動清除，并通過高溫蒸汽對石材進行全面清洗，避免沉積物、生物病害等不利因素加劇石材風化。4）沉降及傾斜監(jiān)測。建議布置沉降觀測點，觀測基礎(chǔ)沉降的穩(wěn)定情況。同時對塔身整體傾斜定期監(jiān)測，觀測塔身傾斜的發(fā)展情況。尤其在道路改造施工臨近時，倘若出現(xiàn)沉降或傾斜發(fā)展超過規(guī)范5）振動監(jiān)測。建議在塔基處布置振動測點，對周邊的環(huán)境振動進行長期監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)危險振源。當?shù)缆犯脑焓┕づR近白塔嶺時，有必要對振動響應進行實時監(jiān)測，嚴控施工振動影響。6）排水疏導。定期清理補平凹陷部位避免積水，塔基周邊排水疏導，避免基底積水。6結(jié)構(gòu)抗振分析閘口白塔體現(xiàn)著古石塔建筑精妙的營造技藝，具有深遠的歷史文化傳承價值，其結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。本文綜合無人機攝像、傾斜