古建筑木結(jié)構(gòu)修繕加固技術(shù)探究

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摘要:經(jīng)過(guò)數(shù)千年的發(fā)展和演變，古建筑木結(jié)構(gòu)已成為我國(guó)乃至世界建筑藝術(shù)中的寶貴遺產(chǎn)。對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)常見破壞形式進(jìn)行了闡述，如腐朽、蟲蛀、開裂、拔榫、彎垂等。在此基礎(chǔ)上，歸納了木結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)修復(fù)加固技術(shù)，如對(duì)糟朽構(gòu)件采用剔補(bǔ)、墩接等方法，對(duì)開裂構(gòu)件采用嵌補(bǔ)法，對(duì)發(fā)生拔榫破壞的榫卯節(jié)點(diǎn)用鐵件拉結(jié)，對(duì)彎垂構(gòu)件進(jìn)行壓平、支頂?shù)确椒?總結(jié)了現(xiàn)代加固技術(shù)，將加固對(duì)象按照主要受力構(gòu)件加固分為木梁、木柱及榫卯節(jié)點(diǎn)等，并從性能方面分析采用纖維復(fù)合材料等現(xiàn)代加固技術(shù)對(duì)主要受力構(gòu)件的加固效果。

關(guān)鍵詞:古建筑;木結(jié)構(gòu);破壞類型;加固技術(shù)

傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)是我國(guó)古建筑中最主要的結(jié)構(gòu)形式［1］，自形成以來(lái)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷史階段，演變出許多鬼斧神工的建筑瑰寶，反映當(dāng)時(shí)中國(guó)建筑在技術(shù)上和藝術(shù)上的成就。但千百年來(lái)因木材自生缺陷及遭受各種自然災(zāi)害和人為損害，加上修繕工作不及時(shí)，許多木結(jié)構(gòu)已產(chǎn)生較嚴(yán)重的累積損傷，其承載和變形能力均有不同程度降低，致使古建筑木構(gòu)架處于危險(xiǎn)狀態(tài)，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全。故對(duì)木結(jié)構(gòu)開展合理的修繕加固尤為重要。目前我國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)修繕加固工作大多采用傳統(tǒng)修復(fù)加固方法，主要依靠匠人經(jīng)驗(yàn)判斷，缺乏現(xiàn)代力學(xué)理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)和施工難被現(xiàn)代工程師和技術(shù)工人掌握［2］，科學(xué)性不強(qiáng)。同時(shí)快速發(fā)展的修復(fù)加固技術(shù)如新型復(fù)合材料加固技術(shù)尚集中在單一受力構(gòu)件加固領(lǐng)域，未形成一個(gè)完整的體系。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外專家對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)加固進(jìn)行了大量研究，得出了系列研究成果。以古建筑木結(jié)構(gòu)為對(duì)象，闡述了古建木結(jié)構(gòu)的破壞類型，歸納了相應(yīng)的傳統(tǒng)修復(fù)加固技術(shù)，總結(jié)了現(xiàn)代加固技術(shù)的應(yīng)用，以期能更好地對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固保護(hù)。

1古建筑木結(jié)構(gòu)破壞類型

1．1腐朽

木材腐朽在傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)中普遍存在，危害程度也最大［3］。常見的腐朽部位有墻內(nèi)木柱柱根、局部的受彎構(gòu)件以及木構(gòu)架最上層的椽子、望板等，如圖1(a)，圖1(b)所示。腐朽的出現(xiàn)會(huì)對(duì)木材的纖維結(jié)構(gòu)造成破壞，大大降低木材的性能，使構(gòu)件截面受力面積減少，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)承載能力，從而使木結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種破壞，甚至坍塌。

1．2蟲蛀

木材由于空氣溫度和濕度的變化等周圍環(huán)境的影響，容易遭受有害甲蟲侵襲，有害甲蟲一般將木材蛀成針孔大小的蟲眼，并從蛀孔中掉落下白色粉末狀蛀屑［4］，從而在木材表面或內(nèi)部形成空洞，如圖1(c)所示，造成木材強(qiáng)度下降。

1．3開裂

木材在加工制作和使用過(guò)程中，外界溫濕度變化會(huì)造成木材各部分的含水率或干燥程度不同，從而導(dǎo)致木纖維的內(nèi)外收縮不一致，木纖維沿縱向互相分離產(chǎn)生縱向干縮裂縫［5］，如圖1(d)所示，并且隨著時(shí)間的推移，木結(jié)構(gòu)受力構(gòu)件在外力作用下原有的干縮裂縫不斷加深變寬，承載能力大大降低。1．4拔榫古建筑木結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)多采用榫卯連接，榫卯節(jié)點(diǎn)在長(zhǎng)期的受荷下，榫頭和卯口之間不斷摩擦，榫頭磨損使得榫頭與卯口產(chǎn)生縫隙，木材自身的材料干縮等促使榫頭與卯口之間的縫隙擴(kuò)張，榫頭在外力作用下拔出，如圖1(e)所示。榫頭拔出使得榫頭與卯口間的受力面積減少，在外力作用下節(jié)點(diǎn)成為整體結(jié)構(gòu)的薄弱部位，且節(jié)點(diǎn)失效破壞后，整體結(jié)構(gòu)將容易轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)構(gòu)而破壞。

1．5彎垂

木結(jié)構(gòu)中的受彎構(gòu)件，主要包括梁、枋和檀等構(gòu)件。由于長(zhǎng)久的豎向荷載作用下，累積蠕變導(dǎo)致構(gòu)件常常出現(xiàn)下垂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生底部劈裂等現(xiàn)象［6］，如圖1(f)所示。當(dāng)構(gòu)件彎垂尺度超過(guò)規(guī)范限制，嚴(yán)重危害木結(jié)構(gòu)的安全時(shí)，應(yīng)采取加固手段進(jìn)行處理。

2傳統(tǒng)修復(fù)加固技術(shù)

針對(duì)木結(jié)構(gòu)的常見破壞類型，目前運(yùn)用最廣泛的是采用傳統(tǒng)加固技術(shù)對(duì)損壞的木構(gòu)件進(jìn)行修繕加固，傳統(tǒng)修復(fù)加固技術(shù)由工匠根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而傳承保留下來(lái)的加固技術(shù)，通過(guò)采用原材料、原工藝、原做法，對(duì)產(chǎn)生破壞缺陷的構(gòu)件或整體進(jìn)行修復(fù)或更換。針對(duì)木結(jié)構(gòu)常見的破壞類型，歸納傳統(tǒng)修復(fù)加固中對(duì)局部損傷構(gòu)件的具體修復(fù)措施。

2．1糟朽加固

不同程度的腐朽木柱，依據(jù)其腐朽程度，采用如下方法(剔補(bǔ)或者墩接)進(jìn)行修繕加固處理［7］:當(dāng)木柱輕微腐朽，木柱剩余截面承載能力經(jīng)過(guò)驗(yàn)算尚能符合受力要求時(shí)，可將腐朽部分剔除，然后用干燥木材按照原樣進(jìn)行修補(bǔ);當(dāng)柱腳腐朽嚴(yán)重，但未超過(guò)1/4柱高時(shí)，可采用墩接柱腳的方法處理。墩接法主要指將柱子腐朽部分截掉，換上新料，然后在新舊木料結(jié)合處做成榫卯進(jìn)行連接。梁枋等其他構(gòu)件腐朽修復(fù)加固方法和柱子類似。輕微腐朽可采用剔補(bǔ)法處理，如腐朽構(gòu)件剩余截面不能滿足使用要求，宜選用原樹種干燥木材制成新構(gòu)件進(jìn)行更換。蟲蛀木構(gòu)件修復(fù)加固采用類似腐朽木構(gòu)件修繕加固技術(shù)。

2．2開裂加固

當(dāng)木柱的干縮裂縫深度不超過(guò)柱徑或該方向截面尺寸1/3時(shí)，主要采用嵌補(bǔ)方法對(duì)木柱進(jìn)行修繕加固:當(dāng)裂縫寬度不大于3mm時(shí)，用膩?zhàn)影芽p隙勾抹嚴(yán)實(shí);當(dāng)裂縫寬度在3mm～30mm時(shí)，可用木條嵌補(bǔ)，并用膠粘劑粘牢;當(dāng)裂縫寬度大于30mm時(shí)，除用木條補(bǔ)嚴(yán)粘牢外，還需在修復(fù)處加2道～3道鐵箍。對(duì)于位于梁枋的干縮裂縫，當(dāng)裂縫深度不超過(guò)梁寬或梁直徑的1/3時(shí)，可采用嵌補(bǔ)的方法;當(dāng)裂縫深度超過(guò)梁寬的1/3時(shí)，且經(jīng)驗(yàn)算構(gòu)件承載力不滿足受力要求，需在梁底下支頂立柱或在梁枋內(nèi)埋設(shè)碳纖維板、型鋼。

2．3拔榫加固

對(duì)于梁枋等構(gòu)件的拔榫加固:當(dāng)榫頭完好，僅因柱架傾斜而產(chǎn)生拔榫時(shí)，將柱架撥正并用鐵件等加固件拉接;當(dāng)梁枋完好，榫頭因糟朽、斷裂而脫榫時(shí)，先將破損部分剔除，再按原尺寸重新制作硬木榫頭，新榫頭通過(guò)粘膠固定在梁枋端部并嵌入卯口，然后用鐵件固緊。

2．4彎垂加固

對(duì)于梁枋等受彎構(gòu)件，當(dāng)構(gòu)件發(fā)生輕微垂彎且沒有劈裂現(xiàn)象時(shí)，將構(gòu)件拆卸后反轉(zhuǎn)放置并施加一定壓力將其壓平;當(dāng)構(gòu)件有斷裂跡象或撓度超過(guò)限值時(shí)，可采取開裂加固中的支頂法和補(bǔ)強(qiáng)法，若這些方法效果不好則采取更換構(gòu)件的方法。

3采用現(xiàn)代手段加固

結(jié)合古建筑木結(jié)構(gòu)加固的基本要求，采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FibreReinforcedPolymer，簡(jiǎn)寫FRP)、環(huán)氧樹脂、自攻螺釘?shù)冗M(jìn)行加固。FRP具有自重輕和施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，科技的發(fā)展降低了FRP的使用成本，使得FRP逐漸應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)維修加固領(lǐng)域，且加固后易于滿足可識(shí)別、可逆性等要求。針對(duì)木構(gòu)件常見的破壞類型，利用現(xiàn)代加固技術(shù)對(duì)受力構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)針對(duì)性加固可取得較好加固效果。

3．1木梁加固

大量學(xué)者研究了干縮裂縫對(duì)木梁承載力的影響，并采用不同的加固方式恢復(fù)木梁的承載力。陳孔陽(yáng)等［8］研究了干縮裂縫對(duì)木梁承載力的影響，通過(guò)制作4組帶有不同深度縱向干縮裂縫的木梁進(jìn)行三分點(diǎn)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明:當(dāng)木梁處于受彎破壞時(shí)，裂縫對(duì)木梁承載力的削弱較小，處于順紋剪切破壞時(shí)，裂縫對(duì)木梁承載力的削弱較大。Calderoni等［9］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究既有木梁的抗彎性能，研究表明裂縫對(duì)木梁的承載力影響較大。宋曉濱等［10－11］為了研究縱縫對(duì)木梁承載力的影響規(guī)律及自攻螺釘對(duì)木梁承載力的修復(fù)效果，修復(fù)方式如圖2所示，通過(guò)彎曲加載試驗(yàn)進(jìn)行研究，研究表明:位于木梁剪彎段截面中部的縱縫對(duì)木梁承載力削弱最大，木梁承載力可降至46．2%;自攻螺絲施加在彎剪段的修復(fù)效果最好，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析推導(dǎo)出相應(yīng)的木梁承載力計(jì)算公式。在纖維材料加固木梁的研究方面，張露等［12］研究了帶木節(jié)的缺陷梁與碳纖維布加固梁的抗彎性能等，并且通過(guò)彎曲加載試驗(yàn)分析缺陷所在位置對(duì)木梁承載力的影響。研究表明:木節(jié)處于受拉區(qū)對(duì)木梁抗彎承載力的影響大于受壓區(qū)木節(jié)，在底部粘貼碳纖維布對(duì)于受拉區(qū)有缺陷的木梁能很好地起到加固效果。朱兆陽(yáng)等［13］通過(guò)彎曲加載實(shí)驗(yàn)研究了FRP板隱蔽式加固截面削弱型木梁的抗彎性能，研究表明:與模擬殘損梁相比，F(xiàn)RP板加固木梁的抗彎承載力及抗彎剛度均得到了顯著提高，其抗彎性能甚至超過(guò)了健康梁。RescalvoFJ等［14］提出了用碳纖維壓板條和碳纖維布復(fù)合加固木梁，如圖3所示，通過(guò)對(duì)老舊的木梁和加固木梁進(jìn)行了抗彎性能試驗(yàn)，結(jié)果表明:與老舊木梁相比，加固梁的抗彎承載力不僅可以完全恢復(fù)甚至得到顯著提高。有學(xué)者研究鋼板對(duì)木梁的加固效果，楊勇等［15］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了粘貼鋼板對(duì)木梁的加固效果。研究表明:鋼板加固木梁能有效阻止既有縱向裂縫開展、提高殘損木梁承載能力和剛度，可用于不易更換的嚴(yán)重裂損木梁的補(bǔ)強(qiáng)加固。張富文等［16］通過(guò)對(duì)未加固木梁和粘貼鋼板加固木梁進(jìn)行1200d的長(zhǎng)期持荷試驗(yàn)研究，分析粘貼鋼板加固木梁的長(zhǎng)期受力性能，結(jié)果表明加固鋼板對(duì)木材蠕變具有約束作用。目前對(duì)木梁的研究多集中于干縮裂縫對(duì)木梁承載力的影響，不同裂縫因素對(duì)木梁的影響不同，在同一條件下，當(dāng)裂縫深度超過(guò)一定量，裂縫對(duì)木梁承載力的削弱作用變大;裂縫位于木梁剪彎段截面中部對(duì)木梁承載力的削弱最大。學(xué)者多采用纖維復(fù)合材料對(duì)木梁進(jìn)行加固，該加固方法能大幅度提高木梁的抗彎性能，起到較好的加固效果。

3．2木柱加固

目前學(xué)者們對(duì)木柱加固技術(shù)已開展廣泛研究，主要集中在柱體補(bǔ)強(qiáng)加固和柱根腐朽加固等方面。張萌等［17］通過(guò)試驗(yàn)研究間隔粘貼纖維布加固矩形截面短柱的軸壓性能，分析纖維布的種類和加固層數(shù)對(duì)其抗壓承載力等性能指標(biāo)的影響，結(jié)果表明:纖維布加固都能提高木柱的承載力，不同種類的纖維布加固效果相差不大，隨著加固層數(shù)的增加，木柱的縱向變形和橫向變形分別增大和減小。王香云［18］提出鋼管加固木柱(見圖4)，通過(guò)對(duì)原木柱和鋼管加固木柱進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:鋼管加固木柱能提高木柱抗壓性能，補(bǔ)強(qiáng)加固效果顯著。在柱根腐朽方面，周乾等［19］通過(guò)軸壓試驗(yàn)研究采取CFRP布包鑲加固柱根(如圖5所示)的軸壓受力性能，結(jié)果表明:采用CFRP布加固柱根后，木柱極限承載力及延性可大部分恢復(fù)，水平及豎向壓應(yīng)變均得到提高。李宏敏等［20］提出一種鋼套墩接加固方法，并對(duì)加固木柱進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)。研究結(jié)果表明:墩接柱主要破壞狀態(tài)為類似于極值點(diǎn)失穩(wěn)的破壞，鋼套墩接加固可以大幅提高木柱的抗壓承載力。目前木柱加固多采用纖維布加固，纖維布包裹木柱使得木柱處于三軸受壓狀態(tài)，木柱的軸壓性能得到提高，橫向變形減小。鋼件加固木柱可以明顯提高木柱的抗壓承載力，但鐵件耐銹蝕差，容易導(dǎo)致加固效果降低甚至失效。

3．3榫卯節(jié)點(diǎn)加固

古建筑木結(jié)構(gòu)由于自身性能老化，榫卯節(jié)點(diǎn)制作時(shí)存在截面削弱，成為整體結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在地震等外力作用下容易發(fā)生拔榫現(xiàn)象，整體結(jié)構(gòu)將容易轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)構(gòu)而破壞。因此大量國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)對(duì)梁柱榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，限制其發(fā)生榫頭拔出等破壞，并對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)加固前后的抗震性能進(jìn)行研究。孫文等［21］分別采用3種不同碳纖維布加固方案，如圖6所示，然后對(duì)這3種碳纖維加固的木構(gòu)架進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:碳纖維加固木構(gòu)架后其承載力與剛度得到提高，其中雙層分離式碳纖維布整體加固效果最好。周乾等［22］采用扒釘、CFRP布與鋼構(gòu)件3種材料加固傳統(tǒng)木構(gòu)架榫卯節(jié)點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析加固后榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能，結(jié)果表明:榫卯節(jié)點(diǎn)加固前后均有良好的變形能力，其中鋼構(gòu)件的加固效果最好。薛建陽(yáng)等［23］研究角鋼加固后傳統(tǒng)民居木結(jié)構(gòu)十字形半榫節(jié)點(diǎn)抗震性能，通過(guò)對(duì)未加固節(jié)點(diǎn)和角鋼加固的節(jié)點(diǎn)(如圖7所示)進(jìn)行低周往復(fù)加載試驗(yàn)，結(jié)果表明:與未加固節(jié)點(diǎn)相比，角鋼加固節(jié)點(diǎn)的承載力、剛度得到了明顯的提升，且節(jié)點(diǎn)承載力退化現(xiàn)象得到明顯的改善。劉芳蓮［24］采用黏彈性阻尼器對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，黏彈性阻尼器如圖8所示，通過(guò)擬靜力試驗(yàn)研究加固后節(jié)點(diǎn)的抗震性能，結(jié)果表明:黏彈性阻尼器能夠明顯提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能，其中節(jié)點(diǎn)的最大彎矩提高最大。齊振東［25］通過(guò)低周往復(fù)加載試驗(yàn)研究了摩擦阻尼器加固后單向直榫節(jié)點(diǎn)的抗震性能，結(jié)果表明:摩擦阻尼器在提升榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能表現(xiàn)優(yōu)良，顯著提高榫卯節(jié)點(diǎn)的剛度及耗能能力。圖8黏彈性阻尼器實(shí)物A鋼板B鋼板橡膠層目前木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)加固方法主要由三大類組成，纖維布加固、鐵件加固、阻尼器加固。纖維布和鐵件加固方法比較成熟，纖維布主要以碳纖維布為主;阻尼器加固方法起步較晚，研究不夠完善，沒有成體系，并且加固方法比較復(fù)雜，使用起來(lái)不太方便。這三類方法都能提高節(jié)點(diǎn)的承載力和剛度，并且限制榫卯節(jié)點(diǎn)在地震等外力作用下發(fā)生脫榫現(xiàn)象進(jìn)而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的坍塌。

4結(jié)論

對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)的常見破壞模式進(jìn)行了分類，闡述了傳統(tǒng)修復(fù)加固中對(duì)破壞類型的具體修復(fù)加固措施，總結(jié)了現(xiàn)代加固技術(shù)中對(duì)受力構(gòu)件加固采用的不同加固方法及加固效果。1)木材腐朽在古建筑木結(jié)構(gòu)最為常見，且木材腐朽多伴隨有蟲蛀破壞，對(duì)木結(jié)構(gòu)危害最大。干縮裂縫常出現(xiàn)橫向、豎向受力構(gòu)件中，對(duì)構(gòu)件危害程度取決于裂縫深度與位置。榫卯節(jié)點(diǎn)發(fā)生拔榫破壞會(huì)導(dǎo)致梁柱嚴(yán)重傾斜，甚至使結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌。2)傳統(tǒng)修復(fù)加固技術(shù)基于工匠傳承下來(lái)的老一輩工匠的修復(fù)加固經(jīng)驗(yàn)，側(cè)重于對(duì)損傷的木構(gòu)件進(jìn)行修補(bǔ)，其應(yīng)用有鮮明的時(shí)代性和實(shí)用性，但加固主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，缺乏科學(xué)依據(jù)。3)現(xiàn)代加固多采用輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維復(fù)合材料等，針對(duì)傳統(tǒng)古建筑木構(gòu)件的破壞形式，通過(guò)分析受力機(jī)理，進(jìn)行合理加固，結(jié)合古建木結(jié)構(gòu)加固基本要求，該現(xiàn)代加固技術(shù)用于傳統(tǒng)木構(gòu)件加固，技術(shù)適用性仍有待實(shí)踐檢驗(yàn)。4)傳統(tǒng)修復(fù)加固技術(shù)與現(xiàn)代加固技術(shù)都有自己的特點(diǎn)與優(yōu)缺點(diǎn)，先要在傳承傳統(tǒng)工藝基礎(chǔ)上，積極采用新材料和新工藝彌補(bǔ)傳統(tǒng)工藝的不足，不斷更新完善古建筑木結(jié)構(gòu)保護(hù)的技術(shù)體系，形成一套成熟的古建筑修繕加固技術(shù)體系。

作者:崔航 施畢新 褚云朋 古松 單位:四川省文物考古研究院 西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院