庞贝考古区砌体墙平面外失效机制评估方法：从分类到极限分析模型的应用

《Heritage》：A Methodological Path to Assess the Out-of-Plane Vulnerability of Archaeological Walls in the Pompeii Archaeological Park Marco Di Ludovico, Claudia Casapulla, Francesca Ceroni, Giuseppina De Martino, Alessandra Maione, Alessandra Zambrano and Vincenzo Calvanese

　　

本研究提出了一种评估考古砌体墙平面外（OOP）抗剪承载力的方法，该方法整合了形态学分类体系与基于极限分析的运动学方法。研究人员首先依据墙体几何特征及其横向连接的有效性，将墙体分为三种连接类别：“差”、“中等”和“好”。针对这三种类别，分别采用了原始的赫曼（Heyman）模型、改进的赫曼模型（纳入砌体抗拉强度 ft）以及卡萨普拉的摩擦宏块模型。该方法被应用于意大利庞贝考古公园的四面真实墙体案例研究中。研究结果表明，横向连接的有效性是控制墙体 OOP 行为的关键参数，它既决定了破坏机制的类型，也决定了适用于承载力评估的分析模型。通过与地震需求的对比分析，确定了墙体的承载力/需求比（C/D）。结果显示，连接条件较差的墙体安全裕度最低，亟需采取干预措施进行保护。

论文解读

研究背景与问题提出

考古砌体结构，尤其是庞贝遗址中的古罗马墙体，面临着因缺乏水平隔板、构件间连接薄弱以及既有损伤累积而导致的严峻挑战。这类结构的平面外（OOP）失稳是导致其损毁的主要机制之一。然而，现有的评估方法往往难以精确量化这些复杂且老化的考古砌体在地震作用下的真实响应。传统的分析模型可能忽略了墙体构造细节（如齿状连接）和材料退化（如内部岩芯松散）对承载力的具体影响。因此，研究人员迫切需要建立一套能够结合墙体形态学与力学响应的系统性评估框架，以准确预测破坏模式并计算其抗震承载力。

研究方法与技术路径

为了攻克上述难题，研究人员采用了理论建模与实证案例相结合的研究策略。

1. 1.
   形态学分类体系：建立了两层级分类标准。第一层级基于墙体平面形态（如独立墙、Tf形墙等）；第二层级基于连接的物理有效性（差、中等、好）。
2. 2.
   极限分析与运动学模型：
   • •
     原始赫曼模型：适用于连接“差”的墙体，假设绕基座圆柱铰转动。
   • •
     改进赫曼模型：适用于连接“中等”的墙体，在原始模型中引入砌体抗拉强度 ft以模拟连接处的张力传递。
   • •
     摩擦宏块模型：适用于连接“好”的墙体，考虑了沿齿状连接面的滑动摩擦力及转动平衡。
3. 3.
   承载力转化与地震评估：基于极限分析得到的重力荷载最小乘数 α0，结合质量参与率 e?和置信因子 CF，将其转化为加速度承载力 a0。随后，依据意大利技术规范（NTC 2018）计算不同极限状态下的峰值地面加速度（PGA）需求，进行 C/D 比值验算。
4. 4.
   案例验证：选取庞贝考古公园内四处具有代表性的墙体（Wall A, B, C, D）进行实地调查与参数化分析。

研究结果

墙体分类与模型匹配

研究人员发现，墙体的连接质量是决定力学模型选择的先决条件。对于连接“差”的墙体（如 Wall A 的部分区域），由于正交墙未能形成有效约束，结构易发生简单的倾覆转动；而对于连接“好”的墙体（如 Wall C），齿状构造提供了显著的摩擦阻力，使得破坏机制转变为复杂的转动-滑动复合模式。

赫曼模型的适用性

在 Wall A 和 Wall B 的分析中，研究人员应用赫曼模型计算了不同潜在破坏机制的荷载乘数。例如，Wall A 的 M2.1 机制（水平铰位于基座）给出的 α值（0.076）低于 M2.2 机制（0.091），这表明基座水平裂缝是最不利的控制工况。

改进赫曼模型的应用

针对 Wall D 这种具有“中等”连接的墙体，仅考虑重力的原始模型会低估其承载力。当引入抗拉强度 ft（取值范围 0.027 MPa 至 0.05 MPa）后，加速度承载力 a0显著提升。例如，当 ft从 0 增加至 0.05 MPa 时，承载力增加了约 105%。这证实了内部张拉应力在维持墙体整体稳定性中的关键作用。

摩擦宏块模型的验证

对于 Wall C 这类具有明确齿状连接的墙体，摩擦系数是敏感参数。研究发现，当摩擦系数 f从 0.4 增加到 0.6 时，有效转动高度 Hc降低了约 19%，而承载力 a0提升了 23%。这说明良好的机械咬合能大幅限制破坏范围并提高墙体的抗震能力。

地震风险评估

结合场地地层放大效应（Site Amplification），研究人员计算了各墙体的 C/D 比。结果显示，连接条件直接决定了安全性：Wall A（M2机制）和 Wall B 在所有极限状态下的 C/D 均小于 0.5，处于极高风险；而 Wall C 和 Wall D 在多数工况下 C/D 大于 1，表现相对安全。

讨论与结论

研究讨论

研究人员在讨论中指出，庞贝遗址的地层特征（如厚层的火山碎屑沉积物）会产生显著的地震波放大效应，这在评估中不可忽略。此外，虽然数值模型（如有限元）能提供更精细的应力分布，但基于极限分析的运动学方法因其简洁性和对材料参数低敏感性，更适合于大规模考古遗址的初步筛查与优先级排序。

研究结论

1. 1.
   连接质量主导行为：横向连接的有效性是控制考古砌体墙 OOP 稳定性的最核心因素，直接决定了破坏模式和适用的数学模型。
2. 2.
   模型分层应用：针对不同连接状态，必须采用差异化的极限分析模型——原始赫曼模型用于无约束墙体，改进模型用于有张拉潜力墙体，摩擦模型用于有机械咬合墙体。
3. 3.
   脆弱性分级：连接“差”的墙体（如 Wall A 和 B）表现出极低的安全裕度，尤其是在保护艺术品资产的极限状态下，必须优先进行加固干预。
4. 4.
   方法的普适性：该研究提出的分类-建模-评估流程不仅适用于庞贝遗址，也为全球其他具有类似构造特征的罗马时期考古遗址的结构健康诊断提供了可复制的技术范式。