某木結構古建筑的鑒定與加固方案

籜清毅　羿奇

國康聯同土木工程顧問有限公司　上海200092 沈陽遠大鋁業工程有限公司　遼寧沈陽  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格的民居。原建筑位于江西景德鎮魚山崗，建筑風格受徽派影響較大。其結構為多進院落式，以中軸線對稱分列，面闊三間，進深兩進，四個廂房，中為廳堂，兩側為室，廳堂有天井。該建筑為穿斗結構，屋面坡度為0.43，桁條用料較少，各部位雕刻精細，因年代久遠，局部現已破損。現將該民居拆除后，移至上海某地重新安裝，并改為商用。因對結構進行了拆裝、且改變了使用功能，需對其進行加固處理。文獻【1—7】的研究表明，采用CFRP布包裹加固術構件可以提供良好的約束性能，可顯著提高受壓構件的承載力。本文結合工程實例，對采用碳纖維布(CFRP)包裹與傳統木結構加固方法相結合的古建筑木結構加同技術的進行了應用探索。

2、現場勘壹

    為充分了解該古建筑的結構特點與病害情況，依據《古建筑木結構維護與加固技術規范》(GB50165-92)對該建筑進行現場勘查與檢測，并作詳細記錄。

    2.1柱

    柱為建筑最重要的承重構件，其力學性能直接影響結構的承載力。該結構大部分柱為金柱，少部分為瓜柱，通過榫卯連接在枋梁上。柱的主要病害為：①遷建古建筑取消了柱腳處的連接構件。在柱腳處留下榫跟，嚴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點處截面嚴重削弱；⑥個別柱柱頭處卯口邊緣木材缺失或劈裂；⑥個別瓜柱傾斜。

    該古建筑在遷建之前已對柱進行了修補處理，但處理效果不佳。原有的修補存在的問題主要有：①柱腳有榫頭墩接處理，但未對墩接處加箍；②柱身裂縫進行了嵌補粘結處理，但填塞物(鋸末、木條)脫落；③對柱身壓脹裂縫進行了嵌補處理．但未進行加箍，裂縫進一步發展；④柱頭處對卯口邊緣進行了貼補處理，但未對其加箍。

    2.2枋、檁與椽

    枋粱為方木疊合結構，增加了結構的整體穩定性，經勘查，大部分枋水材質較好，未見有腐蝕蟲蛀等現象。枋梁、檁條與椽條等橫向受力構件主要存在的病害為：①部分橫向受力構件橫向撓度過大；②個別橫向受力構件斷裂；③某些構件出現較寬的受力裂縫。并有進一步發展的趨勢；④某些構件在受力關鍵部位出現缺損；⑤個別構件的棒頭從榫眼中拔出。

    部分橫向受力構件在入庫之前已做修補處理，但由于處理的方法不當，致使修補的效果很差。已有的修補存在的問題大致包括以下幾個方面：①未仔細考慮力學傳遞路線，一些修補后的構件來搭接在相應的承力構件上；②構件上的裂縫嵌補粘結強度不足，填塞物脫落，并且裂縫繼續開展。

    2.3樓板

    樓板厚度2.5cm -3cm，樓板材質較均勻，質地較好，現場觀測無腐蝕蟲蛀現象。左側面闊采用原建筑的樓板，表面租糙．光澤暗淡；右側面闊樓板已更換．表面光滑，材質相對較好。

    2.4屋蓋木構件及瓦屋面

    橡木與檁條為普通杉木，個別椽木與檁條變形過大，部分橡木與檁條截面嚴重削弱。屋面采用瓦屋面，個別破損瓦片已經替換。

    2.5裝飾構件

    凡是建筑與結構構件合一的裝飾，如垂花柱、雕花板、粱墊、窗飾、雀替等雖有損壞。多數已經用新木材恢復原貌。細部裝飾木雕、石雕局部有損壞，也已恢復。但是部分裝飾構件蟲蛀嚴重。在現場勘查過程中發現木板中還存在木蜂等蛀蟲。

3、建模分析

    采用SAP2000建模，對木結構進行有限元分析。木結構的連接較為復雜，不能看作是完全剛性或完全鉸接．計算時采用導荷載的方法把荷載直接加到粱柱的節點上，進行結構整體靜、動力學性能演算，然后對一些不利的構件用手工計算進行復核。桿件的材料性能參數采用‘木結構設計規范)(GBS0005—2003)中的值并乘以適當的折減系數。

    經計算發現柱與粱的強度與穩定性均滿足，但是考慮到該古建筑年代久遠，材料老化較為嚴重，依據現場勘查發現的病害情況，仍建議對損壞的主要承重構建進行加固。

4、加固方案

    以現場勘查結果為依據，以力學分析為參考，嚴格遵循古建筑術結構“修舊如舊”的原則，進行加固方案的選擇。最后確定加固方案為：采用粘貼FRP法加固粱柱節點及劈裂柱頭．化學灌漿法加固腐朽柱腳，附加鋼連接件法加固個別構件的連接節點。

    4.1柱的加固

    4.1.1對木柱裂縫的處理

    木柱由于失水干縮造成的裂縫如果過大，會對木材承載力產生影響，會造成木材的抗剪性能嚴重降低，如果不控制．裂縫將繼續開展，造成應力重分布，因此需對木材干縮裂縫進行慘補。修補方案如下：①當裂縫不大于3mm時，在柱的油飾或斷白過程中，用膩子勾抹嚴實；②當裂縫寬度在3mm-30mm時，用木條嵌補并用耐水性膠粘荊粘牢；③當裂縫寬度大于30mm時，除用木條以耐水性膠粘劑補嚴粘牢外，尚應在柱的開裂段內加FRP箍2～3層。若柱的開裂段較長。則箍距不宜大于0.5m。FRP箍應嵌入柱內，使其外皮與柱外皮齊平。

    4.1.2對腐朽木柱的處理

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

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

    4.1.3對蟲蛀破壞構件的處理

    對蟲蛀破壞的構件．需進行防蟲與防腐的處理。藥劑選擇時需注意：①用低毒、高效、既防腐又防蟲、持久性好，并不會造成環境污染的藥劑；②劑進入木材后，不分解、不揮發，遇水不流失．采用加壓浸注處理，其防腐防蟲有效期可達50年；③藥劑注入木材后不能改變原來木材的顏色，對油漆和彩畫影響輕微。藥劑分水溶性和油溶性復合配方，配方中含防腐和殺蟲多種成分，依照新木構件和舊木構件選擇采用．總計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和一種有機磷低毒殺蟲劑。

    4.1.4對柱問穿枋缺失的處理

    根據《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)相關條文可知：穿斗木構架房屋的橫向和縱向均應在木柱的上、下柱端和樓層下部設置穿枋。該古建筑遷建時取消了底層柱腳處的穿枋，考慮結構整體穩定性與規范要求，應在邊柱之間設置穿枋。考慮使用功能的變化，結構內部不設置穿枋。

    4.1.5主要承重柱墩接接頭的處理

    《建筑抗震設計規范》(GB50011-2001)第ll.2.11的第2條規定：柱子不能有接頭。多數底層柱有墩接接頭，會對結構抗震產生不利影響。為了保證主要承重拄墩接接頭的抗震性能，在接頭處設置2層FRP箍。加固后柱的

強度可以達到原來無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，即在不拆落木構架的情況下，使傾斜、扭轉、拔掉的構建復位，再進行整體加固。對傾斜瓜柱，按照《古建筑木結構維護和加固技術規范)(GB50165-92)第6.5.6條進行打牮撥正。

    4.2枋梁、檁的加固

    4.2.1對斷裂枋粱的處理

    勘查中發現2層承重枋內有一木條斷裂，因此對該枋設置2層FRP箍。

    4.2.3對不滿足構造要求的構件的處理

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

    4.2.4對損壞的粱柱節點的處理

    粱枋完整，僅因榫頭腐朽、斷裂而脫榫時，應先將破損部分剔除干凈，并在梁枋端部開卵，經防腐處理后，用新制的硬木榫頭嵌入卯口內。嵌按時，榫頭與原構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件嵌接的長度。應按計算確定。并應在嵌接長度內用玻璃鋼箍或兩道鐵箍箍緊。也可采用在接縫區域一定范圍內設置雙向FRP箍2層。

    對部分粱、柱節點存在腐朽現象，加固時先將腐朽部分剔除，露出原材，經防腐處理后，用新制硬木榫頭嵌入卵口，用膠粘牢，采用雙向FRP布對整個節點進行包裹加固。采用FRP布包裹加固后，榫卯節點的穩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傳統加固方法中的鋼箍約束，在重新刮膩子油漆后保持了原先的建筑風格。

    4.2.5對有裂縫及破損的脊檁的處理

    對于部分受力開裂的脊檁，為防止裂縫繼續發展．先灌人環氧樹脂填充,然后采用5cm寬間距0.5m設置FlIP箍，并刷術材顏色漆。為防止出現破損的脊攘在挖補修理時產生應力集中破壞，使用木塊與環氧樹脂填充截面缺損，然后采用沿構件長度方向殘損大小的FRP箍環向全范圍包扎兩層，刷木材顏色漆。

    4.3其余構件的處理

    對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、結論

    本文結合工程實例，探討了木結構古建筑的勘查方法與加固方案。將碳纖維(CFRP)、化學灌漿法以及傳統的木結構加周方法相結合，對木結構古民居進行加同。結果表明，采用碳纖維與傳統的加固方法相結合．能使古建筑力學性能滿足新的使用要求。同時也能很好地保持古建筑的原貌，可為其他木結構古建筑提供的加周提供參考借鑒。

參考文獻

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

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)