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安康鑫业建筑加固工程有限公司

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碳纤维加固

安康木结构古建筑修缮加固方法

   传统木结构是我国古建筑中最主要的结构形式,自形成以来经历了漫长的历史阶段,演变出许多鬼斧神工的建筑瑰宝,反映当时中国建筑在技术上和艺术上的成就。但千百年来因木材自生缺陷及遭受各种自然灾害和人为损害,加上修缮工作不及时,许多木结构已产生较严重的累积损伤,其承载和变形能力均有不同程度降低,致使古建筑木构架处于危险状态,严重影响结构安全。故对木结构开展合理的修缮加固尤为重要。

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          摘要: 经过数千年的发展和演变,古建筑木结构已成为我国乃至世界建筑艺术中的宝贵遗产。对古建筑木结构常见破坏形式进行了阐述,如腐朽、虫蛀、开裂、拔榫、弯垂等。在此基础上,归纳了木结构传统修复加固技术,如对糟朽构件采用剔补、墩接等方法,对开裂构件采用嵌补法,对发生拔榫破坏的榫卯节点用铁件拉结,对弯垂构件进行压平、支顶等方法; 总结了现代加固技术,将加固对象按照主要受力构件加固分为木梁、木柱及榫卯节点等,并从性能方面分析采用纤维复合材料等现代加固技术对主要受力构件的加固效果。

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          传统木结构是我国古建筑中最主要的结构形式,自形成以来经历了漫长的历史阶段,演变出许多鬼斧神工的建筑瑰宝,反映当时中国建筑在技术上和艺术上的成就。但千百年来因木材自生缺陷及遭受各种自然灾害和人为损害,加上修缮工作不及时,许多木结构已产生较严重的累积损伤,其承载和变形能力均有不同程度降低,致使古建筑木构架处于危险状态,严重影响结构安全。故对木结构开展合理的修缮加固尤为重要。


          目前我国古建筑木结构修缮加固工作大多采用传统修复加固方法,主要依靠匠人经验判断,缺乏现代力学理论基础,设计和施工难被现代工程师和技术工人掌握,科学性不强。同时快速发展的修复加固技术如新型复合材料加固技术尚集中在单一受力构件加固领域,未形成一个完整的体系。


          近年来国内外专家对古建筑木结构加固进行了大量研究,得出了系列研究成果。以古建筑木结构为对象,阐述了古建木结构的破坏类型,归纳了相应的传统修复加固技术,总结了现代加固技术的应用,以期能更好地对古建筑木结构进行加固保护。


          一.古建筑木结构破坏类型


          1.1 腐朽


         木材腐朽在传统木结构中普遍存在,危害程度也更大。常见的腐朽部位有墙内木柱柱根、局部的受弯构件以及木构架最上层的椽子、望板等,如图 1( a) ,图1( b)所示。腐朽的出现会对木材的纤维结构造成破坏,大大降低木材的性能,使构件截面受力面积减少,严重影响结构承载能力,从而使木结构产生各种破坏,甚至坍塌。


          1.2 虫蛀


         木材由于空气温度和湿度的变化等周围环境的影响,容易遭受有害甲虫侵袭,有害甲虫一般将木材蛀成针孔大小的虫眼,并从蛀孔中掉落下白色粉末状蛀屑,从而在木材表面或内部形成空洞,如图1( c) 所示,造成木材强度下降。


        1.3 开裂


         木材在加工制作和使用过程中,外界温湿度变化会造成木材各部分的含水率或干燥程度不同,从而导致木纤维的内外收缩不一致,木纤维沿纵向互相分离产生纵向干缩裂缝,如图 1(d) 所示,并且随着时间的推移,木结构受力构件在外力作用下原有的干缩裂缝不断加深变宽,承载能力大大降低。


        1.4 拔榫


        古建筑木结构的节点多采用榫卯连接,榫卯节点在长期的受荷下,榫头和卯口之间不断摩擦,榫头磨损使得榫头与卯口产生缝隙,木材自身的材料干缩等促使榫头与卯口之间的缝隙扩张,榫头在外力作用下拔出,如图 1 ( e) 所示。榫头拔出使得榫头与卯口间的受力面积减少,在外力作用下节点成为整体结构的薄弱部位,且节点失效破坏后,整体结构将容易转变为机构而破坏。


        1.5 弯垂


         木结构中的受弯构件,主要包括梁、枋和檀等构件。由于长久的竖向荷载作用下,累积蠕变导致构件常常出现下垂,严重时会发生底部劈裂等现象,如图 1(f) 所示。当构件弯垂尺度超过规范限制,严重危害木结构的安全时,应采取加固手段进行处理。

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         二.传统修复加固技术


         针对木结构的常见破坏类型,目前运用最广泛的是采用传统加固技术对损坏的木构件进行修缮加固,传统修复加固技术由工匠根据前人经验总结而传承保留下来的加固技术,通过采用原材料、原工艺、原做法,对产生破坏缺陷的构件或整体进行修复或更换。针对木结构常见的破坏类型,归纳传统修复加固中对局部损伤构件的具体修复措施。


         2.1 糟朽加固


         不同程度的腐朽木柱,依据其腐朽程度,采用如下方法( 剔补或者墩接) 进行修缮加固处理:


        当木柱轻微腐朽,木柱剩余截面承载能力经过验算尚能符合受力要求时,可将腐朽部分剔除,然后用干燥木材按照原样进行修补; 当柱脚腐朽严重,但未超过 1 /4 柱高时,可采用墩接柱脚的方法处理。墩接法主要指将柱子腐朽部分截掉,换上新料,然后在新旧木料结合处做成榫卯进行连接。


        梁枋等其他构件腐朽修复加固方法和柱子类似。轻微腐朽可采用剔补法处理,如腐朽构件剩余截面不能满足使用要求,宜选用原树种干燥木材制成新构件进行更换。


        虫蛀木构件修复加固采用类似腐朽木构件修缮加固技术。


        2.2 开裂加固


        当木柱的干缩裂缝深度不超过柱径或该方向截面尺寸1/3时,主要采用嵌补方法对木柱进行修缮加固:


        当裂缝宽度不大于3mm时,用腻子把缝隙勾抹严实; 当裂缝宽度在3mm~ 30mm时,可用木条嵌补,并用胶粘剂粘牢; 当裂缝宽度大于30mm时,除用木条补严粘牢外,还需在修复处加2道~3道铁箍。


        对于位于梁枋的干缩裂缝,当裂缝深度不超过梁宽或梁直径的1/3 时,可采用嵌补的方法; 当裂缝深度超过梁宽的1 /3 时,且经验算构件承载力不满足受力要求,需在梁底下支顶立柱或在梁枋内埋设碳纤维板、型钢。


        2.3 拔榫加固


        对于梁枋等构件的拔榫加固: 当榫头完好,仅因柱架倾斜而产生拔榫时,将柱架拨正并用铁件等加固件拉接;当梁枋完好,榫头因糟朽、断裂而脱榫时,先将破损部分剔除,再按原尺寸重新制作硬木榫头,新榫头通过粘胶固定在梁枋端部并嵌入卯口,然后用铁件固紧。


         2.4 弯垂加固


         对于梁枋等受弯构件,当构件发生轻微垂弯且没有劈裂现象时,将构件拆卸后反转放置并施加一定压力将其压平; 当构件有断裂迹象或挠度超过限值时,可采取开裂加固中的支顶法和补强法,若这些方法效果不好则采取更换构件的方法。


        三.采用现代手段加固


         结合古建筑木结构加固的基本要求,采用纤维增强复合材料(Fibre Reinforced Polymer,简写FRP) 、环氧树脂、自攻螺钉等进行加固。FRP具有自重轻和施工便捷等优点,科技的发展降低了FRP的使用成本,使得FRP逐渐应用于木结构维修加固领域,且加固后易于满足可识别、可逆性等要求。针对木构件常见的破坏类型,利用现代加固技术对受力构件与节点针对性加固可取得较好加固效果。


        3.1 木梁加固


         大量学者研究了干缩裂缝对木梁承载力的影响,并采用不同的加固方式恢复木梁的承载力。陈孔阳等研究了干缩裂缝对木梁承载力的影响,通过制作 4组带有不同深度纵向干缩裂缝的木梁进行三分点加载试验,结果表明: 当木梁处于受弯破坏时,裂缝对木梁承载力的削弱较小,处于顺纹剪切破坏时,裂缝对木梁承载力的削弱较大。Calderoni 等通过实验研究既有木梁的抗弯性能,研究表明裂缝对木梁的承载力影响较大。宋晓滨等为了研究纵缝对木梁承载力的影响规律及自攻螺钉对木梁承载力的修复效果,修复方式如图2所示,通过弯曲加载试验进行研究,研究表明: 位于木梁剪弯段截面中部的纵缝对木梁承载力削弱更大,木梁承载力可降至46.2% ; 自攻螺丝施加在弯剪段的修复效果更好,并基于实验数据和理论分析推导出相应的木梁承载力计算公式。


         在纤维材料加固木梁的研究方面,张露等研究了带木节的缺陷梁与碳纤维布加固梁的抗弯性能等,并且通过弯曲加载试验分析缺陷所在位置对木梁承载力的影响。研究表明: 木节处于受拉区对木梁抗弯承载力的影响大于受压区木节,在底部粘贴碳纤维布对于受拉区有缺陷的木梁能很好地起到加固效果。朱兆阳等通过弯曲加载实验研究了FRP板隐蔽式加固截面削弱型木梁的抗弯性能,研究表明: 与模拟残损梁相比,FRP板加固木梁的抗弯承载力及抗弯刚度均得到了显著提高,其抗弯性能甚至超过了健康梁。Rescalvo F J 等提出了用碳纤维压板条和碳纤维布复合加固木梁,如图3所示,通过对老旧的木梁和加固木梁进行了抗弯性能试验,结果表明: 与老旧木梁相比,加固梁的抗弯承载力不仅可以完全恢复甚至得到显著提高。


         有学者研究钢板对木梁的加固效果,杨勇等通过实验研究了粘贴钢板对木梁的加固效果。研究表明: 钢板加固木梁能有效阻止既有纵向裂缝开展、提高残损木梁承载能力和刚度,可用于不易更换的严重裂损木梁的补强加固。张富文等通过对未加固木梁和粘贴钢板加固木梁进行1200d的长期持荷试验研究,分析粘贴钢板加固木梁的长期受力性能,结果表明加固钢板对木材蠕变具有约束作用。


         目前对木梁的研究多集中于干缩裂缝对木梁承载力的影响,不同裂缝因素对木梁的影响不同,在同一条件下,当裂缝深度超过一定量,裂缝对木梁承载力的削弱作用变大; 裂缝位于木梁剪弯段截面中部对木梁承载力的削弱更大。学者多采用纤维复合材料对木梁进行加固,该加固方法能大幅度提高木梁的抗弯性能,起到较好的加固效果。


         3.2 木柱加固


         目前学者们对木柱加固技术已开展广泛研究,主要集中在柱体补强加固和柱根腐朽加固等方面。


          张萌等通过试验研究间隔粘贴纤维布加固矩形截面短柱的轴压性能,分析纤维布的种类和加固层数对其抗压承载力等性能指标的影响,结果表明: 纤维布加固都能提高木柱的承载力,不同种类的纤维布加固效果相差不大,随着加固层数的增加,木柱的纵向变形和横向变形分别增大和减小。王香云提出钢管加固木柱(见图4) ,通过对原木柱和钢管加固木柱进行试验研究,结 果 表 明: 钢 管 加 固 木 柱 能 提 高 木 柱 抗 压性能,补强加固效果显著。


          在柱根腐朽方面,周乾等通过轴压试验研究采取CFRP布包镶加固柱根( 如图5所示) 的轴压受力性能,结果表明: 采用CFRP布加固柱根后,木柱极限承载力及延性可大部分恢复,水平及竖向压应变均得到提高。李宏敏等提出一种钢套墩接加固方法,并对加固木柱进行轴心受压试验。研究结果表明: 墩接柱主要破坏状态为类似于极值点失稳的破坏,钢套墩接加固可以大幅提高木柱的抗压承载力。


          目前木柱加固多采用纤维布加固,纤维布包裹 木柱使得木柱处于三轴受压状态,木柱的轴压性能得到提高,横向变形减小。钢件加固木柱可以明显提高木柱的抗压承 载 力,但铁件耐锈蚀差,容 易 导 致 加 固 效果降低甚至失效。


         3.3 榫卯节点加固


          古建筑木结构由于自身性能老化,榫卯节点制作时存在截面削弱,成为整体结构的薄弱部位,在地震等外力作用下容易发生拔榫现象,整体结构将容易转变为机构而破坏。因此大量国内学者通过对梁柱榫卯节点进行加固,限制其发生榫头拔出等破坏,并对榫卯节点加固前后的抗震性能进行研究。


         孙文等分别采用3种不同碳纤维布加固方案,如图6所示,然后对这3种碳纤维加固的木构架进行拟静力试验,实验结果表明: 碳纤维加固木构架后其承载力与刚度得到提高,其中双层分离式碳纤维布整体加固效果更好。


          周乾等采用扒钉、CFRP 布与钢构件3种材料加固传统木构架榫卯节点,通过试验对比分析加固后榫卯节点抗震性能,结果表明: 榫卯节点加固前后均有良好的变形能力,其中钢构件的加固效果更好。薛建阳等研究角钢加固后传统民居木结构十字形半榫节点抗震性能,通过对未加固节点和角钢加固的节点( 如图7所示)进行低周往复加载试验,结果表明: 与未加固节点相比,角钢加固节点的承载力、刚度得到了明显的提升,且节点承载力退化现象得到明显的改善。


         刘芳莲采用黏弹性阻尼器对榫卯节点进行加固,黏弹性阻尼器如图8所示,通过拟静力试验研究加固后节点的抗震性能,结果表明: 黏弹性阻尼器能够明显提高节点的抗震性能,其中节点的更大弯矩提高更大。齐振东通过低周往复加载试验研究了摩擦阻尼器加固后单向直榫节点的抗震性能,结果表明: 摩擦阻尼器在提升榫卯节点抗震性能表现优良,显著提高榫卯节点的刚度及耗能能力。


          目前木结构榫卯节点加固方法主要由三大类组成,纤维布加固、铁件加固、阻尼器加固。纤维布和铁件加固方法比较成熟,纤维布主要以碳纤维布为主; 阻尼器加固方法起步较晚,研究不够完善,没有成体系,并且加固方法比较复杂,使用起来不太方便。这三类方法都能提高节点的承载力和刚度,并且限制榫卯节点在地震等外力作用下发生脱榫现象进而导致整体结构的坍塌。

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        四.结论


         对古建筑木结构的常见破坏模式进行了分类,阐述了传统修复加固中对破坏类型的具体修复加固措施,总结了现代加固技术中对受力构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结构最为常见,且木材腐朽多伴随有虫蛀破坏,对木结构危害更大。干缩裂缝常出现横向、竖向受力构件中,对构件危害程度取决于裂缝深度与位置。榫卯节点发生拔榫破坏会导致梁柱严重倾斜,甚至使结构发生倒塌。


         2)传统修复加固技术基于工匠传承下来的老一辈工匠的修复加固经验,侧重于对损伤的木构件进行修补,其应用有鲜明的时代性和实用性,但加固主要依据经验判断,缺乏科学依据。


         3) 现代加固多采用轻质高强的纤维复合材料等,针对传统古建筑木构件的破坏形式,通过分析受力机理,进行合理加固,结合古建木结构加固基本要求,该现代加固技术用于传统木构件加固,技术适用性仍有待实践检验。


         4) 传统修复加固技术与现代加固技术都有自己的特点与优缺点,先要在传承传统工艺基础上,积极采用新材料和新工艺弥补传统工艺的不足,不断更新完善古建筑木结构保护的技术体系,形成一套成熟的古建筑修缮加固技术体系。


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