中國(guó)木結(jié)構(gòu)古建筑加固方法研究

李云雷 陳良金

（湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系， 福建 莆田 351119）

0 引言

我國(guó)現(xiàn)有2000多個(gè)歷史性城鎮(zhèn)，保存著大量古建筑。中國(guó)古建筑以木材、磚瓦為主要建筑材料，充分發(fā)揮材料性能和特點(diǎn)，創(chuàng)造出優(yōu)美的建筑構(gòu)型及相應(yīng)的建筑風(fēng)格，取得光輝的成績(jī)，是中國(guó)傳統(tǒng)文化的重要載體。

然而大多數(shù)木結(jié)構(gòu)建筑由于建成時(shí)間較長(zhǎng)，且在各種自然環(huán)境及人為因素作用下，易發(fā)生變形、裂縫、蟲(chóng)蛀、糟朽等問(wèn)題，構(gòu)件的強(qiáng)度也因此降低，在地震、強(qiáng)風(fēng)、水患、雷電等自然災(zāi)害的作用下，很有可能出現(xiàn)大面積的結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌，這將嚴(yán)重影響人民生命財(cái)產(chǎn)安全和古建筑文化的傳承。而且，許多實(shí)例表明，不少古建筑遭受的損害，不完全是未加保護(hù)所致，而是保護(hù)不當(dāng)所造成的。因此，對(duì)古代中國(guó)木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行科學(xué)、正確、有效的修復(fù)加固，從安全性和文化傳承保護(hù)等方面考慮，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 損壞形式

現(xiàn)存的木結(jié)構(gòu)古建筑大都有著上百年以上的歷史，由于木材本身物理性能的退化、自然環(huán)境影響以及人為的破壞等因素，使得現(xiàn)存古建筑木結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不同的損壞形式，主要包括以下幾個(gè)方面：

1.1 開(kāi)裂

由于木材內(nèi)外層水分蒸發(fā)速度的不同且木材徑向、弦向收縮系數(shù)存在差異，在干燥過(guò)程中，容易出現(xiàn)由外向內(nèi)的開(kāi)裂現(xiàn)象。同時(shí)，不同于鋼材、混凝土等材料，木材作為一種非均質(zhì)的、各向異性的天然高分子有機(jī)材料，在溫度和濕度變化的情況下，木構(gòu)件裂縫會(huì)持續(xù)拓展，使得有效截面減小，導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力大大降低。

1.2 槽朽、蟲(chóng)蛀

木材的主要成分包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、鹽類(lèi)、可溶性多糖、蛋白質(zhì)和其它化合物等，這些組份是一些細(xì)菌和昆蟲(chóng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，在適宜的溫度、濕度條件下，細(xì)菌孢子會(huì)分泌酵素，分解、吸收木材中的纖維素和半纖維素及木質(zhì)素，從而使木材發(fā)生糟朽。[1]在我國(guó)南方多雨地區(qū)，木材糟朽尤為常見(jiàn)。而昆蟲(chóng)包括白蟻、蛀木甲蟲(chóng)、天牛、黃蜂等以木質(zhì)為食，穿孔食蛀木材，造成木材蟲(chóng)蛀孔洞甚至木材內(nèi)部中空，使得木構(gòu)件有效截面面積減少，承載能力大幅下降，影響整個(gè)構(gòu)架安全。在各種木材中，除樟木、杉木、柚木等木材本身具有防蟲(chóng)作用外，其余大部分常用建筑木料皆不具有防蟲(chóng)功能。

1.3 木節(jié)、斜紋等天然缺陷

木結(jié)構(gòu)古建筑中，有不少構(gòu)件的用料存在木節(jié)、斜紋等天然缺陷，一般情況，由于構(gòu)件的截面尺寸有較大冗余，在沒(méi)有受到其他因素的干擾下，可以正常工作；但一旦與領(lǐng)近的其他殘損點(diǎn)組合，就容易產(chǎn)生危及安全的問(wèn)題。

1.4 彎曲變形

木構(gòu)件在長(zhǎng)期荷載作用下，由于材料性能老化、外力破壞或承載力設(shè)計(jì)冗余不足等原因造成構(gòu)件彎曲變形，不但影響建筑外觀，甚至導(dǎo)致倒塌破壞。

2 加固方法

《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》明確提出古建筑木結(jié)構(gòu)的維修與加固必須遵守不改變文物原狀的原則。在修繕保護(hù)過(guò)程中應(yīng)保存原來(lái)的建筑形制、建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料、工藝技術(shù)和傳力體系不變。針對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑的損壞程度，制定整體加固方案或?qū)?gòu)件進(jìn)行局部加固。

2.1 整體加固

針對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑整體的不同損壞程度，采取以下整體加固方法[2]：

（1）修整加固

當(dāng)建筑構(gòu)架整體變形較小，各個(gè)構(gòu)件位移、錯(cuò)位不大，總體損壞程度較輕時(shí)，可不拆換各個(gè)受力構(gòu)件，直接對(duì)木構(gòu)架進(jìn)行整體修整加固。這種加固方法成本低且施工簡(jiǎn)便，較好地保持古建原貌。

（2）打牮撥正

局部構(gòu)件、古建外觀損壞較為嚴(yán)重，但主要承重構(gòu)件完好時(shí)，可不拆落木構(gòu)架，先使發(fā)生傾斜、扭轉(zhuǎn)、拔榫的構(gòu)件復(fù)位，再進(jìn)行整體加固，同時(shí)更換或加固受損嚴(yán)重的構(gòu)件。

（3）落架大修

當(dāng)建筑構(gòu)架整體包括主要主要傳、承力構(gòu)件受損嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)全部或局部拆落木構(gòu)架，同時(shí)更換或加固受損嚴(yán)重的構(gòu)件。這種加固方法相當(dāng)于對(duì)古建筑進(jìn)行“解剖手術(shù)”，在一定程度上改變了古建筑的歷史原貌。

2.2 局部構(gòu)件加固

（1）墩接加固

柱腳或梁枋部分發(fā)生糟朽時(shí)，可采用木料或鋼筋混凝土、石料等進(jìn)行墩接加固；這種加固方法不需要整體拆除替換，最大限度利用原構(gòu)件；但墩接構(gòu)件與原構(gòu)件存在裂縫界面，不能保證構(gòu)件的整體性，且對(duì)構(gòu)件原貌改變較大。[3]

（2）嵌補(bǔ)加固

當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)表層干縮裂縫，可采用膩?zhàn)?、桐油灰、環(huán)氧樹(shù)脂或其他膠粘劑灌膠嵌補(bǔ)裂縫孔、洞，當(dāng)裂縫寬度較大時(shí)，可先用木條嵌補(bǔ)，再用膠粘劑粘牢，并在裂縫區(qū)域內(nèi)用鐵箍或FRP箍箍緊。嵌補(bǔ)加固僅適用于裂縫發(fā)展深度不超過(guò)截面尺寸1/3的損壞構(gòu)件，且承載能力不如原構(gòu)件。

（3）鐵箍加固

當(dāng)構(gòu)件表層裂縫發(fā)展深度超過(guò)截面尺寸1/3或出現(xiàn)貫穿縱向裂縫時(shí)，采用鐵件將構(gòu)件箍緊，通過(guò)鐵件的約束作用可顯著提高構(gòu)件的承載能力。采用鐵箍加固需要做好防銹措施，一旦鐵件發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，會(huì)顯著降低約束效果，且影響古建筑外觀。

（4）化學(xué)加固

梁枋、柱因發(fā)生蟲(chóng)蛀或腐朽而形成內(nèi)部中空時(shí)，但構(gòu)件表層結(jié)構(gòu)完整，且完好厚度不小于50mm時(shí)，可先將內(nèi)部朽爛部分清理干凈后，灌注改性環(huán)氧樹(shù)脂灌漿料加固，當(dāng)中空部分較大時(shí)，宜先用原構(gòu)件相同材質(zhì)木料填充后灌注改性環(huán)氧樹(shù)脂灌漿料加固。

（5）FRP加固

FRP材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高彈性模量、耐蟲(chóng)蛀、易施工等特點(diǎn)，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的一種新型加固材料?，F(xiàn)有研究表明FRP加固木構(gòu)件能夠顯著提高構(gòu)件的承載能力和剛度，同時(shí)對(duì)構(gòu)件的延性也有一定程度的改善；但對(duì)于長(zhǎng)期性能、耐疲勞性能的研究較為缺乏，同時(shí)，F(xiàn)RP加固木構(gòu)件會(huì)明顯改變古建筑的原貌。[4]

（6）支頂加固

通過(guò)在木梁下設(shè)置附加支座進(jìn)行支頂加固，可有效降低跨中彎矩和跨中撓度，減少構(gòu)件的彎曲變形。支頂加固施工便捷，不改變構(gòu)件原貌，但會(huì)改變?cè)瓨?gòu)件的傳力體系。[5]

（7）更換新構(gòu)件

當(dāng)木構(gòu)件受損嚴(yán)重時(shí)，利用上述種種加固方法進(jìn)行加固并不現(xiàn)實(shí)，只能采用更換新構(gòu)件進(jìn)行加固修復(fù)。新構(gòu)件應(yīng)優(yōu)先采用與原構(gòu)件相同的樹(shù)種木材，當(dāng)確有困難時(shí)，應(yīng)選取強(qiáng)度等級(jí)不低于原構(gòu)件的木材代替。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)擁有大量的木結(jié)構(gòu)古建筑，普遍存在各種不同程度不同狀態(tài)的損壞，必須加以修繕和加固。要根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)募庸谭椒ê秃线m的施工材料，防止因修繕加固而造成對(duì)古建筑歷史文化風(fēng)貌的破壞，真正做到“修舊如舊”。