摘 要：本文以一座具有代表性的石坊为例，深入探讨石质文物的结构安全性评估与加固分析方法。详细阐述了石坊的建筑结构特点，深入剖析其病害状况，运用科学的有限元分析等手段进行全面的安全性评估，并结合具体的修缮方案阐述相应的加固措施，旨在为石质文物保护提供 具有实际参考价值的范例，突出精准评估与科学加固在石质文物保护工作中的关键意义。 关键词：石质文物；石坊；结构安全性评估；加固措施

Structural Safety Assessment and Strengthening Analysis of a Stone Cultural Relic XU Yi Ming、HUANG Xin Lin、Yi Xin （Zhongteng Zhixin Technology （Hunan） Co.， Ltd.，Changsha 410017，Hunan） Abstract：This paper takes a representative stone archway as an example to deeply explore the structural safety assessment and strengthening analysis methods of stone cultural relics. It elaborates on the architectural structural characteristics of the stone archway in detail， analyzes its disease conditions in depth， conducts a comprehensive safety assessment using scientific means such as finite element analysis， and elaborates on the corresponding strengthening measures in combination with specific restoration schemes， aiming to provide a practical reference example for the protection of stone cultural relics and highlighting the crucial significance of accurate assessment and scientific strengthening in the protection of stone cultural relics.

0 引言

石质文物作为人类文明发展历程中的实物见证，承载着不可估量的历史、文化、艺术和科学价值。它们犹如一部部立体的史书，静静诉说着往昔岁月的故事，是连接过去、现在与未来的重要纽带。在漫长的岁月中，石质文物历经风雨侵蚀、地质变动以及人类活动的影响，面临着诸多严峻挑战，其中结构安全问题尤为突出，成为

威胁其保存与传承的关键因素

石质文物的结构安全性不仅关系到文物本身的命运，更关乎人类文化遗产的完整性与延续性。一旦结构失稳或损坏，可能导致不可逆转的破坏，使珍贵的历史信息永久丢失。因此，对石质文物进行结构安全性评估与加固分析具有极其重要的现实意义。

本文所研究的石坊，作为石质文物中的杰出代表，其建筑结构独特，历史文化底蕴深厚。通过对该石坊的深入研究，我们可以探索出一套科学、系统的石质文物结构安全性评估与加固方法，为同类文物的保护提供宝贵的经验和借鉴，助力推动整个石质文物保护事业的发展，使其在现代社会中继续焕发光彩，传承人类文明的火种。

某文保单位石坊位于省怀化市，为四柱一门重檐歇山顶式门楼，石质仿木结构，高10.4 米、宽 6.3 米，始建于清康熙年间，是全国重点文物保护单位。建筑结构和石雕工艺具有很高的艺术价值和历史文化意义。其结构和石材状况复杂，对检测技术要求高。石坊外观照如图1.1 所示，平面布置图如 1.2 所示。

2 现场检测

依据相关检测规范，现场对该石坊进行常规检测和安全性评估。检测依据、情况及结论见表 2.1。

3 石坊验算分析

3.1 模型参数的选用

有限元单元法也称为有限元素法或有限元。运用数学仿真的方法，模拟真实结构系统的几何特性以及荷载工况。石牌坊结构的力学性能分析主要建立在弹性状态下，是一个三维线性问题，宜使用空间和线性有限元方法进行分析。

使用荧光光谱对石坊的石材进行检测， 材主要成分均为二氧化硅，三氧化二铝，以及含有铁、钾、钛等元素，其中二氧化硅含量占比在 50%以上，岩石属于岩浆岩的中 217MPa。为了保护文物遗迹的安全，勘察阶段仅采用无损伤的方法测定了石材的抗压强度，未对牌坊 破坏试验， 因此缺乏石材的抗剪切强度值和抗拉强度值。考虑石坊均为石构件，且材质均匀，可参考《混凝土结构通 的相关参数，由于测定的石材抗压强度值均在 70MPa 以上，拟采用 C70 混凝土的抗剪切及及抗拉强度值进行分 石材的弹性模量取 36000 兆帕 ，泊松比0.15，石材的容重为26kN/m3，额枋与立柱之间采用弹性连接。

3.2 计算模型

石坊分为外层的门式坊和内层的浆砌块石两层构造，外层石坊均为石质结构，额枋与立柱之间采用半透的石榫卯连接，内层的浆砌块石构造则主要起到增大牌坊厚度，提高稳定性的作用，是保持牌坊整体稳定性的重要组成部分。本次分析将其整体进行建模处理，建模过程中对牌坊的非受力构件进行必要的简化，将花板、屋盖等装饰性构件直接作为荷载施加在额枋和立柱上。有限元模型将石坊的结构件划分为 187 个单元，节点数 199 个，简化后的石坊的有限元模型如下图 3.1

3.3 计算结果

分析过程中综合考虑了檐楼、花板、浆砌条石墙及结构自身的组合作用，石坊结构的单元应力及位移变形如下图 3.2＼～图3.3：

图3.3 石坊结构位移变形图从石坊结构的应力分布图来看，作为横梁的额枋中部应力值较大，尤其以正楼顶部的额枋与内层门框的横梁处的应力值最大，最大值达到了 2.6MPa，与石材的抗剪切强度值3.1MPa 接近，由于石材内部并非均质，存在结构薄弱面，石材的下部受拉区域是容易出现开裂的。再结合现状勘察情况来看，正楼顶部的额枋未见明显断裂，一方面是受到了下部花板的一定支撑作用，另外一方面也与顶部屋盖结构采用座斗条石分散传递压力有关，而内层石门框的横梁（门额枋）则已经断裂，这是由于内层石门框下的横梁为架空构造，石横梁（门额枋）的跨度较大造成的。

从位移变形情况来看，也是横梁中部的位移变形值最大，与应力分布相仿，但构件结构的最大位移变形值也只有 0.4mm 左右，要远小于规范中 L/250 的允许变形值，结构出现位移变形破坏的可能性较小。由此可见，在不考虑地基压缩变形的情况下，石坊的位移变形是基本可以忽略的。

4 石坊结构安全性评估根据检测结果，依据《古建筑砖石结构维修与加固技术规范》GB/T 39056-2020 对石坊结构分别进行第一级、第二级安全性评估。结果见表 4.1、表 4.2 所示。

根据《古建筑砖石结构维修与加固技术规范》GB/T 39056-2020 相关规定，石坊的第二级安全性评估等级为四级，应立即进行处理。石坊现阶段结构性损伤主要表现在石门框处，现状的门额枋已经断裂，起着承重作用的抱柱枋也多碎裂。结构状态非常不安全，石坊的其他构件受力性能较好。

5.1 立柱（抱柱枋）修缮措施

立柱是牌坊重要的承力构件，立柱裂缝的开展对柱的整体受力性能有明显的削弱，裂缝处的应力容易出现集中效应，且缝隙内也容易积水和吸附灰尘，冬季时引发冻融破坏。

现状裂缝表层涂抹有水泥浆或石灰浆，为保证灌缝质量的均匀和观感质量，需要对修补的裂缝逐条进行检查，裂缝处的水泥修补材料要进行剔除。可使用镊子或竹篾等进行操作。尤其是裂缝深度2 厘米以内的范围，必须将杂物清理干净，以保证修补的灰浆具有一定的深度，避免灰缝因厚度过薄再次出现断裂或脱落。

（2）压力注浆

设计采用超细水泥与环氧树脂的混合浆液作为灌浆材料，同时添加膨胀剂及着色剂作为添加剂，使浆液具有一定的膨胀性，并似使外观与石材更为接近，材料配比通过前期实验进行确定。注浆使用压力注射器进行注射，至缝隙饱和有均匀的浆液溢出为止。由于缝隙位于立面上，要按照裂缝分布的规律对其注浆顺序进行合理划分，一条缝隙灌注前，首先使用化学胶泥对下方的裂缝外进行封堵，仅留最上侧排气孔和最下侧的注浆孔，然后使用压力注射器沿下侧预留的注浆孔进行注浆。裂隙较长的，可采用多点逐段注浆的方式进行，保证灌浆的质量。

（3）灌浆后缝隙表面处理

灌注的浆液初凝后，终凝前（凝固时间要根据配合比试验确定）， 去除注浆段表面封堵的化学胶泥，人工使用刻刀对裂隙表面的灌浆料进行修补并参照周边石材纹理刻画，使其与周边的石材外观保持一致。具体立柱修缮设计图详见图 5.1。

5.2 石门框立柱修缮

石坊门洞最内层为一道 5 厘米厚的木门框，虽然木材的顺纹抗拉强度较高，但由于两侧的木柱对木梁的支撑截面小，木材与石材表面贴合性差，木横梁并不能代替断裂的石横梁下部受拉，且现状石门框的立柱已经破裂，木梁出现了下沉。因此必须对石门框采取必要的加固措施，防止石门框突然出现崩塌。

（1）拆除木质门框

使用钢管支架对横梁进行支撑，支架底部设置木垫板，防止对地面石板造成破坏，然后对已经损伤的木门框（木质门框不属于文物本体）进行切割，保留钢管支撑处的木门框，其余部分的木门框均进行拆除。切割先采用角磨机进行，切至距离石材面 1 厘米左右后，在使用锯齿较细的手锯切割断木板。注意采用的钢管支撑截面不宜过大，以便为后续实施做碳纤维板加固横梁提供空间。

（2）修复石门框立柱（抱柱枋）

石门框立柱局部破损严重，木门框拆除后，对破裂的立柱进行修复。采用环氧树脂主剂、固化剂、增韧剂并添加其它材料（抗紫外剂、抗氧化剂、消泡剂等）调和进行粘结，尽可能使归安后的石构件裂缝最小，粘结后的石材位置处设置支撑进行临时固定，待粘结材料形成强度后再拆除临时支撑结构。

（3）修复断裂的门额枋

①对石门框横梁（门额枋）表面进行清洗，局部缺失的部位使用青石粉调配进行修补。

②以高强度扁形钢材、碳纤维布等制作 2 厘米厚、长度与门额枋相等的托垫板，安置于石质门额枋下部，以垫托断裂的门额枋。粘结碳纤维布按设计尺寸及层数裁剪碳纤维布，将高强度钢材用炭纤维布包裹起来，配置粘结胶，然后均匀的涂抹在需要粘结的部位，确认粘贴位置准确后剥去碳纤维布表层的离析纸，用专用的滚子反复的沿着纤维方向滚压，去除气泡，并使粘结胶充分渗透碳纤维布，最后在碳纤维布表面均匀涂抹一层粘结胶。

③将 5 厘米厚的木板中间挖空 2 厘米，其空挡处可嵌入炭纤维托垫板，以便隐蔽托垫板。

④清洗门额枋的断裂部位，干燥后以环氧树脂粘结，外围周边以细石灰青石粉材料与糯米汁等搅拌填缝，保证环氧树脂处于密闭状态，

防止其老化。

待碳纤维材料形成强度后，按原拆除木质木框尺寸使用实木新做木门框，门框刷防腐油漆，面层刷红色油漆。木框安装完成后，拆除钢管支架。

（5）裂缝注浆加固

对石门框上的机械裂隙进行注浆加固，一方面是为了避免缝隙处出现应力集中效应引发裂缝进一步开展，另外一方面是为了防止缝隙处冬季出现冻融破坏，此外也能一定程度还原其历史风貌。缝隙表面的处理工艺同立柱修缮措施中的裂缝注浆加固做法一致。具体石门框修缮设计图详见图 5.2。

5.3 花板修缮措施

花板并不是牌坊的主要受力构件，主要起到装饰作用，但由于花板镶嵌在额枋与立柱间，额枋及立柱出现位移变形后，花板也会受到定程度的挤压或剪切，且石坊采用的石材自身具有层理构造，层理界面受力后容易开展形成裂缝。为了防止裂缝进一步开展，避免出现应力集中和冻融破坏，对花板已有的裂缝要进行注浆修补，同立柱修缮措施中的裂缝表面处理做法一致。具体花板修缮设计图详见图 5.3。

5.4 檐楼修缮措施

由于石板屋面下滑，屋面与脊之间的缝隙较大，加之缝隙的斜度较小，容易积攒灰尘，为植被的生长提供了稳定的环境，而植被生长对缝隙产生劈裂作用，进一步造成缝隙增大，由此形成恶性循环，直至石板屋面掉落。

（1）草本植物清理

草本植物采用手工拔出的方式处理，局部根系较粗难以拔出时，可用工具剔除，附着在石材表面的腐殖土或根茎使用软毛刷进行清理。注意剔出时不得损坏石构件。

（2）灌木清理

较细的灌木茎秆使用剪刀剪断，剪刀剪断困 使用手锯锯断。 下部根系能拔出时， 可直接拔出，但注意不得损伤砌体。灌木根系较粗较深难以拔出，或强行拔出会损伤砌体时，采用在树根断面处涂草甘膦的方式致其完全死亡。具体立柱修缮设计图详见图 5.4。

5.5 建立监测系统

有限元分析发现，虽然石坊在自重作用下能基本保持稳定， 但是局部额枋处的拉应力值较大，与石材自身的抗拉强度值相当。结合现场勘察的实际情况，现状的石门框已经出现断裂， 部分退出工作，加之立柱及花板等也有不同程度的裂缝，尤其是中柱，由于自身承受了较大的荷载，石材自身具有层理构造， 材的开裂情况较为严重，随着时间的推移，石坊的石材还将不断劣化。因此有必要在关键部位建立监测点，监测结构是否处在安全可控的范围内，并及时预警，也为后续的保护工作提供数据支撑。

（1）应力监测

应力监测点布置在石构件应力较大的截面处，既各额枋的中间截面下缘。应力监测系统建议采用无线智能传感技术，能具备自动收集整理和储存数据的功能。应力监测系统是石坊安全监测的主系统。

（2）位移监测

位移监测点布置在各楼的顶部中央，用于监测石坊的位移变形数据。监测点每年采用全站仪采集测点的三维数据。位移监测主要配合应力监测系统使用，防止出现无应力或小应力下的位移变形破坏，是石坊监测的辅助系统，可纳入日常管理工作中。具体监测布点详见图5.5。

6 结语

通过对该特定石坊全面深入的结构安全性评估与加固分析研究，取得了一系列具有重要价值的成果。明确了石坊当前存在的病害状况，对其种类、分布和严重程度有了清晰的认识。通过精确的安全性评估，掌握了石坊结构的实际安全性能，为后续加固措施的制定提供了科学依据。在此基础上，制定并实施了科学合理的加固方案，经过修缮施工后，石坊的结构安全性得到了显著提升，各项监测数据表明加固措施有效改善了石坊的受力状态，控制了位移变形，为石坊的长期稳定保存奠定了坚实基础。本研究不仅为该石坊的保护提供了切实可行的技术方案，也为同类石质文物的结构安全性评估与加固工作提供了宝贵的经验借鉴，推动了石质文物保护技术的发展。

参考文献

[1] 《古建筑砖石结构维修与加固技术规范》GB/T 39056-2020.

[2] 《建筑结构检测技术标准》GB/T 50344-2019.

[3] 《古建筑结构安全性鉴定技术规范 第 2 部分：石质构件》DB11/T 1190.2-2018.

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