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    重慶木結構古建筑的5項傳統加固技術與3項新技術

    作者: 發布時間:2022-03-27 16:22:49點擊:21247

    信息摘要:

    大多數木結構古建筑都是國家重要的旅游文化資源,是珍貴的文化遺產,具有不可恢復性。由于歷年來地震、雷擊等自然災害時有發生,對古建筑造成危害,且由于木質材料本身具有易開裂易變形等缺陷,所以對木結構古建筑的修繕與加固具有重要意義。

            中國古建筑在世界上形成了獨特的建筑風格,與歐洲建筑和伊斯蘭建筑共同組成世界三大建筑體系。


             在中國,大量木結構古建筑遺跡被保存下來,據統計,2013年共有4295個國家重點文物保護對象,其中包括1882個古建筑文物,占比43.82%,近總數的一半[1-2]。

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            大多數木結構古建筑都是國家重要的旅游文化資源,是珍貴的文化遺產,具有不可恢復性。由于歷年來地震、雷擊等自然災害時有發生,對古建筑造成危害,且由于木質材料本身具有易開裂易變形等缺陷,所以對木結構古建筑的修繕與加固具有重要意義。


           1.木結構古建筑的破壞形式


            木結構古建筑由于歷經風雨,并且經過長期荷載,木材性能下降,產生不同形式的破壞。其破壞形式主要有構件開裂、材料腐朽、受彎構件變形、節點脫榫等。


          1.1?構件開裂


           當古建筑長期處于干濕交替的環境下,或者經歷地震、雷擊等自然災害后,木材的材性就會降低,出現開裂的現象,這也是木構件最常見的破壞形式。


           木構件開裂后會導致其極限承載力與機械支撐性能下降,這不僅會對古建筑整體結構的安全性造成危害,還易造成木構件內部進水,從而引發腐爛或蟲害。當開裂長度超過總長度的1/2,或者開裂深度大于木構件直徑的1/4時,就需要對其進行修繕和加固[3]。


           1.2?材料腐朽


           由于木腐菌的侵入,木材的顏色與結構會逐漸發生改變,細胞壁遭到破壞,導致木材物理、力學性能下降,變得松軟易碎,呈篩孔狀或粉末狀,這種狀態被稱為腐朽[4]。


           古建筑的木構件在潮濕環境下會發生腐朽,常發生在構件的端部,尤其是柱根和屋面的角梁處[5]。在屋面漏雨或缺乏通風時,更易出現糟朽情況,這會極大程度上降低木構件的承載力,當腐朽情況嚴重時,更會對古建筑整體結構的安全性構成隱患。


          1.3?受彎構件變形


           對于木梁和桁架等受彎構件而言,由于其跨度較大且經過長期荷載,構件自然老化,彈性模量及抗彎性能大大降低,會發生彎垂等變形現象,這種現象不僅影響古建筑的外觀,最終還會使構件發生破壞。


           1.4?節點脫榫


           榫卯結構是中國木結構古建筑各個構件之間的基本連接形式[6],榫卯的構造、功能各異,木結構古建筑中構件常見的榫卯連接形式有檐(內或金)柱榫、檐(內、脊枋榫)、脊瓜柱榫、普拍枋榫、半榫、合柱鼓卯等,榫卯節點的“柔性”特點降低了結構的整體剛度,增大了整體結構的延性,使木結構古建筑在地震中受到的慣性力減小,具有抗震性能。


          但從構件的變形和破壞的發展來看,古建筑的破壞也總發生在榫卯節點處,破壞主要表現為榫卯節點的滑移變形、彈塑性變形、榫卯連接松動等,最終導致脫榫,對整體結構造成影響[7]。


          2. 木結構古建筑的修繕原則


          2.1?保存現狀原則


          保存現狀原則也稱原真性原則,是在對古建筑修繕加固時應遵循的基本原則,因為古建筑的重要價值就是它歷經漫長歲月,記錄下了各朝代的修建形式,所以應保留各時期的歷史痕跡,盡量保存木結構古建筑的現狀與原真性,修繕的重點應在于經常性的保養維護和加固,避免造成保護性破壞。當然,當古建筑構件已經損壞并影響到整體結構安全性時,應當進行修復[7-8]。


         2.2?“整舊如舊”原則


          近代以來,由梁思成、劉敦楨為代表的一些學者,主張“整舊如舊”的修繕原則,這一原則也獲得了廣泛的認同[10]。1993年5月,我國開始實施《古建筑木結構維護與加固技術規范》,規定結構可靠性的鑒定應根據承重結構中出現殘損點的情況來進行評估,并規定了殘損點的評定界限[11],這也和“整舊如舊”原則相吻合。其中對“舊”的理解是使古建筑恢復到其健康狀態,而非刻意做舊,盲目地采用復古、仿古等簡單方法去模仿,應使木結構古建筑煥發出其歷史的美感[12]。


          3. 木結構古建筑的傳統加固技術


          3.1?剔補與墩接加固技術


           當木柱只有表層腐朽,且能滿足受力要求、不影響結構穩定時,可采用剔補加固技術,具體方法是先將腐朽部分剔除,然后對其進行防腐處理,再使用干燥后的木料依原樣將木柱修補整齊并粘接,必要時外設2~3道鐵箍進行固定。


           當木柱柱腳部分出現嚴重的糟朽情況,但腐朽部分沿底部向上未超過木柱高度的四分之一時,可采用墩接柱腳的加固技術。具體方法是先將腐朽部分剔除,然后再利用木料、鋼筋混凝土或石料進行拼接,用木料墩接時,可使用“巴掌榫”、“抄手榫”等榫卯式樣,將木料與木柱嚴密對縫,然后外設鐵箍固定;鋼筋混凝土墩接一般用于墻內不露明的柱子,使用螺栓與原構件固定;石料墩接時,其尺寸應小于木柱直徑100mm,然后用厚木板包裹,并外設鐵箍固定[11-13]。


           3.2?支頂加固技術


           通過對古建筑的梁架進行支頂,可以減小其撓度,這種加固方式的主要思路就是使用小木柱或者鐵鉤為梁架增加附加支座,改善木梁的內里分布,提高木梁的承載力。


          支頂加固法會改變整體結構的傳力體系,當遇到需要更換構件的情況時,需要卸除荷載,對其進行“落架”,這種方法對構件甚至是整體結構容易造成損傷,且是不可彌補的[5]。


          3.3?更換構件法


          若遇到木構件腐朽或開裂嚴重、不易修繕的情況,就需要更換構件,更換的新構件應和原構件尺寸相同,且與原建時的形制相同[10]。


          3.4?化學灌漿技術


           化學灌漿技術就是將低黏度的樹脂經過一定配比,制作成灌漿材料,然后加壓注入到木材內部,采用這種加固方法,除了可以修補木構件的缺陷,增加其強度外,還可以使被加固構件的防腐、防蟲能力得到提升,增加尺寸穩定性[13-14]。


          在木構件開裂較大、內部因蟲蛀或腐朽形成中空的情況下,使用化學灌漿技術可以有效改善缺陷,但是這種技術無法修補木材內部細小的裂縫,具有一定的局限性。


          3.5?鐵件加固技術


          對于梁、柱等構件而言,由于長期承受荷載并受到雨水侵蝕,會產生開裂現象,可以用鐵箍對其進行包裹,之后用鉚釘固定,這種方法主要是用鐵箍的核心約束作用來提高構件的強度和剛度;在18世紀到19世紀時,國外一些木結構古建筑還使用鍛鐵帶來固定木梁的開裂部位,如圖1[15];


          對于主要承重的大龍骨而言,可在其兩端用鐵鉤對其加固,鐵鉤一端直接削尖或使用鉚釘固定在龍骨上,另一端固定在與其相連的承重梁上,這種方法是通過鐵鉤端頭或者鉚釘的約束力來分擔部分抗剪荷載。

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             圖1 鍛鐵帶加固古建筑木梁


            對于榫卯節點而言,當其結構穩定性降低,出現拔榫等現象時就需要對其進行加固。加固方法通常是采用5~20mm厚的鐵片進行連接或拉結,然后用鉚釘固定,這種方法是通過鐵片來對榫卯節點進行約束,增加構件之間的聯系。


           對于小型構件,可以使用鐵釘進行拉結,鐵釘的類型有穿釘、蘑菇釘、鑷頭釘、兩尖釘等。這種方法是讓鐵釘承擔部分拉、壓、彎、剪力[16]。


           鐵件加固技術可以有效提高木結構古建筑的承載力及剛度,但是也存在著諸多問題。


           首先,由于木材具有干縮濕脹性,鐵件會發生變形并且容易生銹,如果生銹嚴重就會威脅到整體結構的安全性;


             其次,傳統的鐵件加固技術會采用鐵件本身或鉚釘以致對木構件造成破壞,導致木構件開裂,在破壞材料的同時還會造成新的安全隱患;


           最后,鐵件加固技術往往具有不可逆性,這種不可逆性不僅對木結構本身造成破壞,還給檢修及更換造成困擾,當加固件發生老化時無法拆除,只能對木構件進行“二次加固”,這種方法不僅影響美觀,還會影響加固效果。


           4. 新技術在木結構古建筑加固中的應用


           4.1?FRP加固技術


           FRP(Fiber Reinforced Polymer/Plastic)即纖維增強材料,是一種高強度纖維與樹脂基體結合而成的材料,由于其強度重量比高、易于加工等優點,在工業上得到了廣泛的應用。其多樣性反映在建筑行業,且已被廣泛使用多年,特別是在加強混凝土結構中,近年來,該技術也被擴展到木結構領域中。根據增強材料的不同,常見的FRP包括玻璃纖維增強復合材料(GFRP)、碳纖維增強復合材料(CFRP)和芳綸纖維增強復合材料(AFRP)[17]。


            FRP最早被應用于航天航空領域,由于具有質輕高強、耐腐蝕性好、易裁剪等諸多優點,已經成為了國內外學者的研究熱點,并得到了迅速發展。FRP在木結構建筑中的加固思路主要有抗彎加固、抗剪加固以及抗壓加固。


            FRP可以增強木梁的受彎性能,通常使用的方法是將FRP材料粘貼在木梁底部或者埋設在木梁內部,研究表明, FRP可減緩木梁在受拉時所發生的脆性破壞,還能降低木材缺陷對抗彎性能的影響,提高木梁的剛度和延緩破壞能力[18];在受拉面粘貼FRP布可以提高木梁的極限承載力[19-21];將芳綸纖維增強復合材料布(AFRP)粘貼在木梁底部,可有效減小木梁的蠕變撓度[22] ;使用FRP片材對杉木和柞木木梁進行加固,可以提高木梁的承載力與強度[23];使用碳纖維布(CFRP)加固木梁,經過試驗和數值研究發現,采用由四層碳環氧單向層壓板構成的薄外筋加固梁時可達到最大彎曲強度[24]。


            FRP還可以增強木柱的受壓性能,研究表明,使用玻璃纖維布(GFRP)和碳纖維布(CFRP)橫向纏繞于木柱周圍,可提高木柱的抗壓承載力,改善木柱的延性[25] ;使用碳纖維布(CFRP)和玄武巖纖維布(BFRP)加固新疆楊木柱,木柱的承載力和縱向變形都得到了提高,且與加固層數成正比[26];使用玻璃纖維布(GFRP)加固橋梁木樁, 結果顯示即使在極端劣化后,仍能顯著提高木樁的極限承載力和延性,如圖2[27]。

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           圖2 使用FRP加固試件的破壞情況


           近年來國內還有學者利用FRP對榫卯節點進行加固,具體方法是用化學試劑將節點處清洗干凈,然后用FRP布對榫卯節點處沿木梁的縱向進行包裹,之后用環形纖維布箍緊并用膠黏劑將其粘牢,防止滑脫,這種方法可提高節點的抗彎、抗剪能力,還有效抑制了脫榫現象的發生[28]。


           FRP在木結構加固中的應用是近年來的研究熱點,具有廣闊的市場與發展前景,然而,由于缺乏統一的設計規范,很多情況下FRP的使用存在很大的限制。


          在研究的過程中也存在一些問題,首先,FRP加固木梁后,對于其受剪性能的研究還是較少的,有待進一步研究;其次,通過FRP加固木結構后,其防火性能如何還需要進行探索[29];最后,榫卯結構是我國木結構古建筑的特點,但使用FRP只適合加固損壞程度較小的節點區域,且加固后對其強度和剛度的增強效果并不理想,這部分還需要進行新的加固形式的探索。


            4.2?預應力加固技術


            在受彎構件承受荷載之前,預先對其施加一定的壓應力,可以幫助構件在承受外荷載時,抵消一部分拉應力,提高構件的承載力與剛度,還可有效抑制結構振動以及彈性變形。預應力技術在19世紀就被應用到混凝土結構中,之后得到了廣泛的應用與發展[30],但采用預應力加固木結構建筑還是一種新興的加固方式。


          采用預應力技術可對古建筑木梁進行加固,研究表明,在木梁受拉區域粘貼碳纖維布,讓碳纖維布產生拉應力,使木梁整體結構產生預應力,用這種加固方法可有效提高木梁的承載能力、剛度和延性[31]。


           采用體外預應力技術可對木結構橋梁進行加固與改造,體外預應力技術就是將預應力筋安裝于構件截面之外的一種預應力技術,具有使用簡單、施工方便、作用力大等諸多優點。


             采用此技術可對木結構橋面板進行加固,如圖3[32],隨著時間的推移,預應力技術已經被應用于新建的木結構橋梁中,可對橋梁的主梁及橋面板進行增強,使木結構橋梁向著大跨徑的方向發展。

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            圖3 體外預應力疊合木橋面板


            4.3?納米材料加固技術


              近年來,國外還有學者用碳納米管增強的聚合樹脂對木結構古建筑進行修繕,這種修繕技術可以對腐爛、受蟲害的木材部件或連接節點區域進行局部修復。采用碳納米管樹脂涂層涂于木構件表面或對木構件進行局部浸漬,可提高木材的承載力和抗彎強度[33]。


             這種方法還需要進一步的研究,首先需對碳納米管樹脂涂層的透氣性進行更詳細的研究,以便獲得使涂層對蒸汽的滲透性最大化的碳納米管含量;其次還需要研究在木材表面和結構中使用納米材料的經濟可行性。


             木材作為一種天然的納米復合材料,在納米技術領域具有潛在的應用價值。復合納米材料在木結構加固中的應用是一項尚未廣泛應用的技術,但是納米材料具有自清潔性、防紫外線功能、耐水性、阻燃性、抗劃痕性、抗涂鴉性和防霉抗菌性等諸多優異性能[34-35],所以碳納米管增強樹脂在木結構中的應用具有廣闊前景。


            5. 結語


            綜上所述,木結構古建筑應遵循保存現狀和整舊如舊的修繕原則,但是傳統的加固方法在一定程度上均會對古建筑的外觀以及材料本身造成破壞,而且不易維護與更換,大多具有不可逆性。


            隨著科技的發展以及新材料的出現,很多新的加固技術被應用于木結構古建筑加固與修繕的領域中,如FRP、納米材料加固技術等。未來應把更多新材料、新技術引入到古建筑修繕這一領域中,并對其展開更廣泛和深入的研究,采用更多環保、綠色的材料,優化施工程序,減少對木結構古建筑的二次甚至是多次重復加固,使加固方法向高效、經濟和安全的方向發展。


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