浅谈古建筑木结构加固与修缮

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浅谈古建筑木结构加固与修缮

摘要: 现代社会,随着经济和文明的发展,对古建筑的修缮保护仍然是不可缺少的环节,而在修缮过程中,古建筑作为一个载体,加之现代的修缮加固方法,本身也是文明的继承。因此,通过对现有木结构试验方法分析,从木结构榫卯节点加固、梁柱修缮方面进行了论述,并对当前试验中存在的问题进行了总结,为将来古建筑木结构加固方面的研究提供了问题导向。

关键词: 木结构;加固;榫卯;修缮

引言

中国传统的木结构以古代建筑为主,经过数百年的演变发展,逐步形成了以台基层、柱架层、铺作层(斗拱层)与梁架层屋盖为主的四个结构层次,具有良好的结构功能和抗震能力。在长期的环境侵蚀及历史战乱中,古建筑的结构稳定性随之下降,即使是现存的古建筑也是在不断加固修缮的过程中才得以留存。

1 榫卯节点加固研究及发展

我国古代木作建筑大都属于梁柱体系,节点的榫卯结构种类繁多,连接方式多样,所受荷载较大,有典型的半刚性特征。近十年来,在榫卯节点加固上,不少专家学者探究不同的加固方案和试验方法,沿用宋代《营造法式》关于大木结构要求制作了木构架模型,在模型的节点加固,通过对不同形式的的单调加载试验和低周反复加载试验及其结果,对不同榫卯类型(直榫、透榫、燕尾榫等)分别从弯矩-转角曲线上、转动刚度退化上、榫节点拔出量上、耗能能力上、木材种类上、延性能力上等得出在不同条件下的榫卯节点的破坏形态和力学性能。在木结构的抗震和加固上,该成果可提供分析依据。

碳纤维加固布是单向碳纤维加固类产品,目前生产的厚度有0.11mm和0.17mm,可用于结构抗拉、抗剪、抗震、抗扭转的加固,抗拉强度最大的可达到4900Mpa.在现代钢筋混凝土建筑中,碳纤维布适用于处理建筑物的钢筋、梁柱断裂加固、加层抗震、剪力墙开门加固、阳台根部断裂等问题,由于碳纤维布具有质量小的特点,对结构的刚度、惯性影响不大。将碳纤维布加固原理应用在古建筑木结构中,是近年来研究者的热点,并广泛运用在残损古建筑上。

扁钢加固也是常见的加固方法。姚侃、赵鸿铁等曾用模拟试验台对Q235扁钢加固榫卯节点的力学性能进行了研究,其参考指标与碳纤维布类似。扁钢加固试验中,考虑到扁钢加固前后的加速度、自振频率、阻尼等因素,用扁钢加固的使得结构的刚度略有提高,但总体上符合古建筑修缮保护的刚度等效原则,实验中加载了模拟的地震波,得出了加速度反应与动力放大系数、位移反应等曲线,证明了在地震激励小于0.4g时,扁钢主要承担节点的地震力;在大于0.5g时,扁钢在经过塑性阶段甚至可以达到屈服点、强化阶段,因此,略微改变结构刚度情况下,扁钢加固是可行的。

早在2008年,于业栓、薛建阳等第一次将碳纤维布加固古建筑榫卯节点做出了相关的试验研究,并与当时工程中实际加固运用的扁钢一起分析了其力学性能。将碳纤维布和扁钢加固的分别作用于榫卯节点上,并分别施加低周反复荷载的拟静力试验。碳纤维布和扁钢加固的榫头拔出量明显较小,这是因为加固节点后限制了节点的转动,由于加固试验的构件是在未加固构件试验之后进行,故挤压量增加。加固后构件刚度明显提升(碳纤维布提高一倍,扁钢提高两倍),榫卯节点的承载力明显提升(碳纤维布提高一倍,扁钢提高三倍)。本试验特别说明了碳纤维布加固和扁钢的加固并没有影响原始榫卯节点较好的延性和耗能能力,甚至比未加固时较为增加,因此达到了加固的目的。另外,古建筑木结构是一旦破坏就无法恢复的,我们的修缮要尽可能考虑一系列风险。因此,有专家学者就对扁钢的加固提出了质疑。潘毅对扁钢和阻尼器加固进行了比较,认为扁钢增加了节点的刚度、加速度放大系数,造成能量不能吸收,使得邻件的内力增加,加快邻件的破坏;而阻尼器一方面不会增加刚度,而且能提高节点的耗能。

2 梁柱的加固研究及发展

传统的木结构加固方法中,针对在木柱子因干湿收缩产生的裂缝、表面腐蚀而产生的破坏,通常采用嵌补法和挖补法。嵌补法就是当裂缝深度和宽度较小时(一般裂缝的深度不超过柱子半径的1/3,宽度不超过0.5厘米),直接将环氧树脂腻子填充并抹严实;当裂缝宽度较大时(一般宽度超0.5厘米),在嵌补时要加以木条填补裂缝并粘牢;当裂缝宽度更大时(一般超过3厘米),进行以上工序的同时,还要加钢箍来固定。挖补法就是当柱或梁的表面出现不同程度的腐蚀时,除去腐蚀的部分,其柱内部或梁枋的中心没有损坏(通常来说表面腐蚀面积不大、腐蚀深度不超过柱直径的一半),可将腐蚀部分剔除掉,然后在挖补部分镶嵌完好的且尺寸适应的木块,在镶补过程中,要注意防腐处理,例如可将镶补的木块用环氧树脂填充。当然,对于墩接加固时,还要将搭接的木料端头做成半榫,防止柱墩搭接部分偏移。

周乾、闫维明等对故宫太和殿进行了梁柱的加固分析,除了对以上开裂、腐蚀进行研究外,还提出了整体加固的概念。整体加固就是将残损构件更换成新的构件,当梁架构件开裂、腐蚀、拔榫弯曲较严重时,就要进行落架进行大修,并且更换归为后进行加固。当木构件外观较好,不拆除构件时,但就要对梁架支顶,应用于损坏严重的梁枋等部位,使得外闪较为严重、构件倾斜扭转得以归位。

在现代的梁柱加固中,化工药剂十分重要。一方面化学药剂可以防腐抗虫,另一方面化学药剂在木材表面起到保护作用。例如将聚酯树脂和固化剂、促进剂混合均匀后加石英粉,增强了构件强度,提高了抗腐能力。如甘肃秦安县兴国寺采用了此方法,在阴暗潮湿易腐蚀处涂抹药剂,寿命可延长几倍,既做到了省时省力,又避免了木材年代久远后的大损,是古建筑木结构延年益寿的另一“法宝”。

3 存在的问题及今后的建议

3.1 分析方法局限性

现存的分析方法多为定性分析,即随着转动角度的增加而反映出滞回曲线、刚度、耗能能力、延性等特征有着明显的上升或下降趋势,说明了一定性质,但目前没有一种定量的分析方法,例如弹性变形般的F=KX。由于木结构在模拟振动过程中,榫卯节点之间在摩擦、挤压和滑移过程中,榫卯之间受到挤压、弯曲、扭转、剪切、摩擦力等作用,再加上榫卯之间的缝隙产生的影响,所以基于目前的研究方法和试验设备无法对考量抗震参数的数值给与定量计算。

3.2 模拟振动台与实际木结构的差异性

我们常用的试验是模拟振动台,由于木结构具有差别与现代结构的性能,节点破坏后有较好的延性,木架水平位移较大后依旧有较好的承载力,我们通常加载的控制位移的120%作为极限加载,而控制位移通常为产生破坏的位移,但榫卯间破坏后,构件不一定倒塌,由此得出的各项数据作为古建筑加固方法、设计理论较为苛刻,因此有空间条件的话应增加极限加载位移,将模型将近倒塌的加载位移作为标准。因此按比例缩小所模拟的破坏数据有待验证。

4 结语 古建筑的修缮加固对传承中华民族悠久历史文化、推动科技进步有着不可或缺的作用。古建筑木结构使用年限较久,不少木结构年代久远仍在服役中,故研究残损状态下木结构榫卯节点寿命的预估,或不同残损状态下榫卯节点抗震性能的研究,是将来新的研究方向。

参考文献

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[2]宋度阔.木结构古建筑的加固方法论述[J].应用与实践,2016,(3):200

[3]姚侃.古建筑木结构榫卯连接的扁钢加固试验[J].哈尔滨工业大学学报,2009,(10):220-223

[4]周乾.3种材料加固古建筑木构架榫卯节点的抗震性能[J].建筑材料学报,2013,(4):649-655

[5]于业栓.碳纤维布及扁钢加固古建筑榫卯节点抗震性能试验研究[J].世界地震工程,2008,(3):112-117

[6]周乾.钢构件加固古建筑榫卯节点抗震试验[J].应用基础与工程科学学报,2012(6):1063-1070