某木結(jié)構(gòu)古建筑的鑒定與加固方案

籜清毅　羿奇

國(guó)康聯(lián)同土木工程顧問(wèn)有限公司　上海200092 沈陽(yáng)遠(yuǎn)大鋁業(yè)工程有限公司　遼寧沈陽(yáng)  110027

1、工程概況

    某古民居始建于清朝道光年間，建筑面積為258m2，是一幢具有代表性風(fēng)格的民居。原建筑位于江西景德鎮(zhèn)魚山崗，建筑風(fēng)格受徽派影響較大。其結(jié)構(gòu)為多進(jìn)院落式，以中軸線對(duì)稱分列，面闊三間，進(jìn)深兩進(jìn)，四個(gè)廂房，中為廳堂，兩側(cè)為室，廳堂有天井。該建筑為穿斗結(jié)構(gòu)，屋面坡度為0.43，桁條用料較少，各部位雕刻精細(xì)，因年代久遠(yuǎn)，局部現(xiàn)已破損。現(xiàn)將該民居拆除后，移至上海某地重新安裝，并改為商用。因?qū)�結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拆裝、且改變了使用功能，需對(duì)其進(jìn)行加固處理。文獻(xiàn)【1—7】的研究表明，采用CFRP布包裹加固術(shù)構(gòu)件可以提供良好的約束性能，可顯著提高受壓構(gòu)件的承載力。本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)采用碳纖維布(CFRP)包裹與傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)加固方法相結(jié)合的古建筑木結(jié)構(gòu)加同技術(shù)的進(jìn)行了應(yīng)用探索。

2、現(xiàn)場(chǎng)勘壹

    為充分了解該古建筑的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與病害情況，依據(jù)《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》(GB50165-92)對(duì)該建筑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查與檢測(cè)，并作詳細(xì)記錄。

    2.1柱

    柱為建筑最重要的承重構(gòu)件，其力學(xué)性能直接影響結(jié)構(gòu)的承載力。該結(jié)構(gòu)大部分柱為金柱，少部分為瓜柱，通過(guò)榫卯連接在枋梁上。柱的主要病害為：①遷建古建筑取消了柱腳處的連接構(gòu)件。在柱腳處留下榫跟，嚴(yán)重削弱了柱橫截面面積；②部分柱柱腳局部腐朽，且有缺損；③部分柱柱身有蟲蛀孔。蛀蝕嚴(yán)重；④部分柱柱身有縱向受力鼓脹裂縫；⑤部分柱柱身在枋柱連接節(jié)點(diǎn)處截面嚴(yán)重削弱；⑥個(gè)別柱柱頭處卯口邊緣木材缺失或劈裂；⑥個(gè)別瓜柱傾斜。

    該古建筑在遷建之前已對(duì)柱進(jìn)行了修補(bǔ)處理，但處理效果不佳。原有的修補(bǔ)存在的問(wèn)題主要有：①柱腳有榫頭墩接處理，但未對(duì)墩接處加箍；②柱身裂縫進(jìn)行了嵌補(bǔ)粘結(jié)處理，但填塞物(鋸末、木條)脫落；③對(duì)柱身壓脹裂縫進(jìn)行了嵌補(bǔ)處理．但未進(jìn)行加箍，裂縫進(jìn)一步發(fā)展；④柱頭處對(duì)卯口邊緣進(jìn)行了貼補(bǔ)處理，但未對(duì)其加箍。

    2.2枋、檁與椽

    枋粱為方木疊合結(jié)構(gòu)，增加了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，經(jīng)勘查，大部分枋水材質(zhì)較好，未見有腐蝕蟲蛀等現(xiàn)象。枋梁、檁條與椽條等橫向受力構(gòu)件主要存在的病害為：①部分橫向受力構(gòu)件橫向撓度過(guò)大；②個(gè)別橫向受力構(gòu)件斷裂；③某些構(gòu)件出現(xiàn)較寬的受力裂縫。并有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)；④某些構(gòu)件在受力關(guān)鍵部位出現(xiàn)缺損；⑤個(gè)別構(gòu)件的棒頭從榫眼中拔出。

    部分橫向受力構(gòu)件在入庫(kù)之前已做修補(bǔ)處理，但由于處理的方法不當(dāng)，致使修補(bǔ)的效果很差。已有的修補(bǔ)存在的問(wèn)題大致包括以下幾個(gè)方面：①未仔細(xì)考慮力學(xué)傳遞路線，一些修補(bǔ)后的構(gòu)件來(lái)搭接在相應(yīng)的承力構(gòu)件上；②構(gòu)件上的裂縫嵌補(bǔ)粘結(jié)強(qiáng)度不足，填塞物脫落，并且裂縫繼續(xù)開展。

    2.3樓板

    樓板厚度2.5cm -3cm，樓板材質(zhì)較均勻，質(zhì)地較好，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)無(wú)腐蝕蟲蛀現(xiàn)象。左側(cè)面闊采用原建筑的樓板，表面租糙．光澤暗淡；右側(cè)面闊樓板已更換．表面光滑，材質(zhì)相對(duì)較好。

    2.4屋蓋木構(gòu)件及瓦屋面

    橡木與檁條為普通杉木，個(gè)別椽木與檁條變形過(guò)大，部分橡木與檁條截面嚴(yán)重削弱。屋面采用瓦屋面，個(gè)別破損瓦片已經(jīng)替換。

    2.5裝飾構(gòu)件

    凡是建筑與結(jié)構(gòu)構(gòu)件合一的裝飾，如垂花柱、雕花板、粱墊、窗飾、雀替等雖有損壞。多數(shù)已經(jīng)用新木材恢復(fù)原貌。細(xì)部裝飾木雕、石雕局部有損壞，也已恢復(fù)。但是部分裝飾構(gòu)件蟲蛀嚴(yán)重。在現(xiàn)場(chǎng)勘查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)木板中還存在木蜂等蛀蟲。

3、建模分析

    采用SAP2000建模，對(duì)木結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。木結(jié)構(gòu)的連接較為復(fù)雜，不能看作是完全剛性或完全鉸接．計(jì)算時(shí)采用導(dǎo)荷載的方法把荷載直接加到粱柱的節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體靜、動(dòng)力學(xué)性能演算，然后對(duì)一些不利的構(gòu)件用手工計(jì)算進(jìn)行復(fù)核。桿件的材料性能參數(shù)采用‘木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范)(GBS0005—2003)中的值并乘以適當(dāng)?shù)恼蹨p系數(shù)。

    經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)柱與粱的強(qiáng)度與穩(wěn)定性均滿足，但是考慮到該古建筑年代久遠(yuǎn)，材料老化較為嚴(yán)重，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)的病害情況，仍建議對(duì)損壞的主要承重構(gòu)建進(jìn)行加固。

4、加固方案

    以現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果為依據(jù)，以力學(xué)分析為參考，嚴(yán)格遵循古建筑術(shù)結(jié)構(gòu)“修舊如舊”的原則，進(jìn)行加固方案的選擇。最后確定加固方案為：采用粘貼FRP法加固粱柱節(jié)點(diǎn)及劈裂柱頭．化學(xué)灌漿法加固腐朽柱腳，附加鋼連接件法加固個(gè)別構(gòu)件的連接節(jié)點(diǎn)。

    4.1柱的加固

    4.1.1對(duì)木柱裂縫的處理

    木柱由于失水干縮造成的裂縫如果過(guò)大，會(huì)對(duì)木材承載力產(chǎn)生影響，會(huì)造成木材的抗剪性能嚴(yán)重降低，如果不控制．裂縫將繼續(xù)開展，造成應(yīng)力重分布，因此需對(duì)木材干縮裂縫進(jìn)行慘補(bǔ)。修補(bǔ)方案如下：①當(dāng)裂縫不大于3mm時(shí)，在柱的油飾或斷白過(guò)程中，用膩?zhàn)庸茨▏?yán)實(shí)；②當(dāng)裂縫寬度在3mm-30mm時(shí)，用木條嵌補(bǔ)并用耐水性膠粘荊粘牢；③當(dāng)裂縫寬度大于30mm時(shí)，除用木條以耐水性膠粘劑補(bǔ)嚴(yán)粘牢外，尚應(yīng)在柱的開裂段內(nèi)加FRP箍2～3層。若柱的開裂段較長(zhǎng)。則箍距不宜大于0.5m。FRP箍應(yīng)嵌入柱內(nèi)，使其外皮與柱外皮齊平。

    4.1.2對(duì)腐朽木柱的處理

    木柱腐朽對(duì)柱本身強(qiáng)度有直接影響，本建筑柱腳有腐朽，需要進(jìn)行加固處理。具體處理方法如下：

    ①柱心完好、僅有表層腐朽、且經(jīng)驗(yàn)算剩余截面尚能滿足受力要求時(shí)。可將腐朽部分剔除干凈，經(jīng)防腐處理后，用干燥木材依原樣和原尺寸修補(bǔ)整齊，并用耐水性膠粘劑粘接。如系周圍剔補(bǔ)，尚需加設(shè)FRP箍2-3層。②柱腳腐朽嚴(yán)重，但自柱底面向上未超過(guò)柱高的1/4時(shí)，柱腳需進(jìn)行墩接處理。墩接時(shí)可根據(jù)腐朽的程度、部位選擇墩接材料。用木料墩接先將腐朽部分剔除，再根據(jù)剩余部分選擇墩接的樣卯式樣，如“巴掌捧”、“抄手捧”等。施工時(shí)，采用在接縫區(qū)域一定范圍內(nèi)設(shè)置雙向FRP箍2層。

    4.1.3對(duì)蟲蛀破壞構(gòu)件的處理

    對(duì)蟲蛀破壞的構(gòu)件．需進(jìn)行防蟲與防腐的處理。藥劑選擇時(shí)需注意：①用低毒、高效、既防腐又防蟲、持久性好，并不會(huì)造成環(huán)境污染的藥劑；②劑進(jìn)入木材后，不分解、不揮發(fā)，遇水不流失．采用加壓浸注處理，其防腐防蟲有效期可達(dá)50年；③藥劑注入木材后不能改變?cè)瓉?lái)木材的顏色，對(duì)油漆和彩畫影響輕微。藥劑分水溶性和油溶性復(fù)合配方，配方中含防腐和殺蟲多種成分，依照新木構(gòu)件和舊木構(gòu)件選擇采用．總計(jì)6種，兩種水溶性低毒硼類化合物配方WPl、 Wlr2．一種古五氯酚(PCP)主成分配方OPl，兩種抗流失形，主要成分為銅、鉻、硼和銅、鉻砷的配方CCB和一種有機(jī)磷低毒殺蟲劑。

    4.1.4對(duì)柱問(wèn)穿枋缺失的處理

    根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)相關(guān)條文可知：穿斗木構(gòu)架房屋的橫向和縱向均應(yīng)在木柱的上、下柱端和樓層下部設(shè)置穿枋。該古建筑遷建時(shí)取消了底層柱腳處的穿枋，考慮結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性與規(guī)范要求，應(yīng)在邊柱之間設(shè)置穿枋。考慮使用功能的變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)部不設(shè)置穿枋。

    4.1.5主要承重柱墩接接頭的處理

    《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2001)第ll.2.11的第2條規(guī)定：柱子不能有接頭。多數(shù)底層柱有墩接接頭，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震產(chǎn)生不利影響。為了保證主要承重拄墩接接頭的抗震性能，在接頭處設(shè)置2層FRP箍。加固后柱的

強(qiáng)度可以達(dá)到原來(lái)無(wú)損柱的承壓與抗彎受力性能。

    4.1.6傾斜瓜柱的處理

    打牮撥正，即在不拆落木構(gòu)架的情況下，使傾斜、扭轉(zhuǎn)、拔掉的構(gòu)建復(fù)位，再進(jìn)行整體加固。對(duì)傾斜瓜柱，按照《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)和加固技術(shù)規(guī)范)(GB50165-92)第6.5.6條進(jìn)行打牮撥正。

    4.2枋梁、檁的加固

    4.2.1對(duì)斷裂枋粱的處理

    勘查中發(fā)現(xiàn)2層承重枋內(nèi)有一木條斷裂，因此對(duì)該枋設(shè)置2層FRP箍。

    4.2.3對(duì)不滿足構(gòu)造要求的構(gòu)件的處理

    部分柱頭處枋粱與柱頭的連接不滿足構(gòu)造要求，對(duì)該枋粱粘貼l0cm寬FRP，并刷上木材顏色漆。

    4.2.4對(duì)損壞的粱柱節(jié)點(diǎn)的處理

    粱枋完整，僅因榫頭腐朽、斷裂而脫榫時(shí)，應(yīng)先將破損部分剔除干凈，并在梁枋端部開卵，經(jīng)防腐處理后，用新制的硬木榫頭嵌入卯口內(nèi)。嵌按時(shí)，榫頭與原構(gòu)件用耐水性膠粘劑粘牢并用螺栓固緊。榫頭的截面尺寸及其與原構(gòu)件嵌接的長(zhǎng)度。應(yīng)按計(jì)算確定。并應(yīng)在嵌接長(zhǎng)度內(nèi)用玻璃鋼箍或兩道鐵箍箍緊。也可采用在接縫區(qū)域一定范圍內(nèi)設(shè)置雙向FRP箍2層。

    對(duì)部分粱、柱節(jié)點(diǎn)存在腐朽現(xiàn)象，加固時(shí)先將腐朽部分剔除，露出原材，經(jīng)防腐處理后，用新制硬木榫頭嵌入卵口，用膠粘牢，采用雙向FRP布對(duì)整個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行包裹加固。采用FRP布包裹加固后，榫卯節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性較加固前得到了很大的提高。采用厚度較薄的碳纖維布包裹代替?zhèn)鹘y(tǒng)加固方法中的鋼箍約束，在重新刮膩?zhàn)佑推岷蟊３至嗽�先的建筑風(fēng)格。

    4.2.5對(duì)有裂縫及破損的脊檁的處理

    對(duì)于部分受力開裂的脊檁，為防止裂縫繼續(xù)發(fā)展．先灌人環(huán)氧樹脂填充,然后采用5cm寬間距0.5m設(shè)置FlIP箍，并刷術(shù)材顏色漆。為防止出現(xiàn)破損的脊攘在挖補(bǔ)修理時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中破壞，使用木塊與環(huán)氧樹脂填充截面缺損，然后采用沿構(gòu)件長(zhǎng)度方向殘損大小的FRP箍環(huán)向全范圍包扎兩層，刷木材顏色漆。

    4.3其余構(gòu)件的處理

    對(duì)存在較大的蟲蛀孔的裝飾木板．向蟲蛀孔中灌人防蟲劑，待防蟲劑滲人木材后，向蛀孔中注入環(huán)氧樹脂填充．然后將裝飾板表面打磨平整，并刷木顏色漆。

5、結(jié)論

    本文結(jié)合工程實(shí)例，探討了木結(jié)構(gòu)古建筑的勘查方法與加固方案。將碳纖維(CFRP)、化學(xué)灌漿法以及傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)加周方法相結(jié)合，對(duì)木結(jié)構(gòu)古民居進(jìn)行加同。結(jié)果表明，采用碳纖維與傳統(tǒng)的加固方法相結(jié)合．能使古建筑力學(xué)性能滿足新的使用要求。同時(shí)也能很好地保持古建筑的原貌，可為其他木結(jié)構(gòu)古建筑提供的加周提供參考借鑒。

參考文獻(xiàn)

【1】張?zhí)煊睿?/span>cntP布包裹加固舊木柱軸壓性能試驗(yàn)研究福建建筑【J】．2005(2)：49-51．

【2】馬建勛，蔣湘閩，胡平，等．碳纖維布加固木粱抗彎形能的試驗(yàn)研究【J】．工業(yè)建筑，2005(8)：35—39．

【3】姚江峰，趙寶成，吏麗遠(yuǎn)，等，復(fù)合纖維時(shí)圓形木拄抗壓承栽能力的加固試驗(yàn)研究【M】．蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006(4)：1—4．

【4】祝金標(biāo)，王柏生，王建波．碳纖維布加固破損未粱的試驗(yàn)研究【J】．工業(yè)建筑，2005(10)：86—89

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)