淺析木結(jié)構(gòu)裂縫原理及加固方法

劉及進(jìn) 張昊翔 徐革

摘要：文章分析了木結(jié)構(gòu)干縮裂縫產(chǎn)生的原因，通過(guò)規(guī)范公式及力學(xué)概念分析了不同類(lèi)別的裂縫對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生的危害性，并建議根據(jù)不同危害性的裂縫采取有針對(duì)性的裂縫加強(qiáng)措施，最后文章簡(jiǎn)單分析了規(guī)范針對(duì)構(gòu)件干縮裂縫的加固方法，介紹了現(xiàn)今較為常用的木結(jié)構(gòu)裂縫加固方法。

[作者簡(jiǎn)介]劉及進(jìn)（1989—），男，碩士，工程師，從事工民建結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)工作。

1 木結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)

以木材為主要受力構(gòu)件的木結(jié)構(gòu)房屋相比鋼筋混凝土房屋和鋼結(jié)構(gòu)房屋具有自重輕、剛度小，地震時(shí)，受到地面運(yùn)動(dòng)激勵(lì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生更小的地震作用，是較好的抗震材料。

但是木材作為直接取之于大自然而未經(jīng)二次鍛造的生物類(lèi)建筑材料，其在全生命周期中是“活”的，隨著季節(jié)的更替，日照、溫度、濕度的變化，木材內(nèi)部的含水率、微生物比例等都在不斷變化，同時(shí)隨著時(shí)間推移，纖維本身的內(nèi)部成分也在發(fā)生變化，在這些多重因素的影響下木結(jié)構(gòu)房屋則不可避免地存在濕脹干縮、易開(kāi)裂等缺陷，這些不可控的變化影響了木結(jié)構(gòu)的使用，是工程師不希望看到卻必須要面對(duì)的。因此為了保證木結(jié)構(gòu)房屋的安全性和耐久性，安全有效處理木結(jié)構(gòu)的裂縫是必要的。

2 木構(gòu)件開(kāi)裂原因及裂縫分類(lèi)

木結(jié)構(gòu)構(gòu)件在全生命周期中吸水膨脹、失水收縮，因而不可避免地存在著干縮裂縫。沿著木材纖維方向的干縮稱(chēng)為縱向干縮，沿著木材徑向的干縮稱(chēng)為徑向干縮，沿著木材年輪線(xiàn)切向的干縮稱(chēng)為弦向干縮，弦向干縮在三者中是最大的，可以達(dá)到6 %～12 %[1]，弦向干縮引起的細(xì)胞壁分裂形成的裂縫就是縱向干縮裂縫，這是木構(gòu)件最常見(jiàn)的裂縫之一，這類(lèi)裂縫通常和結(jié)構(gòu)受力無(wú)關(guān)，而主要和周邊環(huán)境相關(guān)。在木結(jié)構(gòu)房屋使用過(guò)程中，還存在一種受力裂縫，主要是由于在受到外部荷載時(shí)，木材應(yīng)力超過(guò)了其能承受的限值而出現(xiàn)細(xì)胞壁集中分離或木材纖維斷裂，此類(lèi)現(xiàn)象表現(xiàn)出來(lái)的外觀特性即為木構(gòu)件出現(xiàn)受力裂縫。實(shí)際工程中情況也可能會(huì)更為復(fù)雜而不能完全分開(kāi)這兩類(lèi)裂縫，如有可能因?yàn)槟緲?gòu)件首先產(chǎn)生干縮裂縫，然后桿件承載力減弱而進(jìn)一步產(chǎn)生受力斜向裂縫或受力劈裂裂縫，兩種裂縫在實(shí)際工程中可能完全獨(dú)立，也可能相互交錯(cuò)影響。

DG/TJ 08-108-2014 《優(yōu)秀歷史建筑修繕技術(shù)規(guī)程》[2]指出應(yīng)當(dāng)根據(jù)木構(gòu)件開(kāi)裂對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響程度采用不同的加固方法，這就要求工程師在實(shí)際工程中能夠定性甚至定量的判定木構(gòu)件開(kāi)裂的類(lèi)別及危害性。

2.1 以拉壓受力為主桿件的縱向裂縫

以拉壓受力為主的桿件包括有木結(jié)構(gòu)柱、木結(jié)構(gòu)屋架下弦桿、腹桿等構(gòu)件，此類(lèi)構(gòu)件的縱向裂縫最主要的是干縮裂縫，我們從GB 50005-2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]中可知，軸心拉壓強(qiáng)度公式為：

式中：f為構(gòu)件材料順紋抗拉（抗壓）強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;N為軸心受拉（受壓）構(gòu)件荷載設(shè)計(jì)值;An為構(gòu)件的凈截面面積。

當(dāng)軸心拉壓受力的構(gòu)件安全不由穩(wěn)定控制時(shí)，即使縱向裂縫充分發(fā)展形成兩個(gè)獨(dú)立的拉壓分離體，對(duì)構(gòu)件的凈截面面積影響也非常小，構(gòu)件受力的安全度基本不會(huì)降低，此時(shí)可以判定軸心拉壓構(gòu)件縱向裂縫對(duì)構(gòu)件受力的危害性較小。當(dāng)然絕對(duì)軸心受力構(gòu)件并不存在，即使是搖擺柱、屋架下弦桿等構(gòu)件也會(huì)因?yàn)槠?、?shí)際支座約束與理論力學(xué)假定不完全相符而產(chǎn)生彎矩，此時(shí)如果木構(gòu)件縱縫進(jìn)一步發(fā)展，在荷載作用下可進(jìn)一步導(dǎo)致縱縫形成獨(dú)立受荷的兩肢[4]，將會(huì)大大降低其能抵抗偏心彎矩的能力，而導(dǎo)致構(gòu)件損壞。因此此類(lèi)裂縫雖然理論上對(duì)構(gòu)件承載力影響非常小，為了保證其能在偏心荷載作用也具有足夠的安全性，且同時(shí)考慮到構(gòu)件耐久性及人們視覺(jué)感官接受度，不能任由讓此類(lèi)裂縫發(fā)展，但可以弱化處理。

縱向裂縫也可能是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)區(qū)連接節(jié)點(diǎn)集中力造成的縱向劈裂裂縫，這則屬于受力裂縫，結(jié)構(gòu)上則必須進(jìn)行安全驗(yàn)算并采取足夠加強(qiáng)措施。

2.2 以拉壓受力為主桿件的橫向裂縫

軸向受力桿件的橫向裂縫必然造成構(gòu)件凈截面面積的減小，從而造成結(jié)構(gòu)安全度降低，此類(lèi)裂縫通常是受力裂縫或因?yàn)橥獠课锢頁(yè)p傷引起的，結(jié)構(gòu)上必須進(jìn)行安全驗(yàn)算并采取足夠加強(qiáng)措施。

2.3 以受彎為主的桿件的縱向裂縫

以受彎為主的桿件主要包括有梁、枋、木望板等構(gòu)件。如圖1，此類(lèi)構(gòu)件的縱向裂縫又可進(jìn)一步區(qū)分為裂縫由上、下表面垂直發(fā)展的豎向裂縫和裂縫由左、右表面水平發(fā)展的水平裂縫。

從GB 50005-2017《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]中可知，受彎強(qiáng)度公式：

式中：fm為構(gòu)件材的料抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;M為受彎構(gòu)件彎矩設(shè)計(jì)值;Wn為受彎構(gòu)件的凈截面抵抗矩。

從材料力學(xué)可知，當(dāng)縱向裂縫為豎向裂縫時(shí)，即使豎向裂縫貫通，讓原來(lái)構(gòu)件變?yōu)閮蓚€(gè)獨(dú)立體，始終可以保證Wn1=Wn2+Wn3，即構(gòu)件的受彎承載力安全度未發(fā)生變化;而當(dāng)縱向裂縫為水平裂縫時(shí)，隨著裂縫逐漸發(fā)展，到一定程度a-b截面將無(wú)法承受彎矩作用下產(chǎn)生的內(nèi)部剪力，此時(shí)將發(fā)生a-b截面的破壞，使得最后Wn1>Wn4+Wn5，受彎承載力安全度降低。

因此受彎構(gòu)件的豎向裂縫可以弱化處理，而受彎構(gòu)件的水平裂縫則必須要進(jìn)行安全驗(yàn)算并采取足夠加強(qiáng)措施。

2.4 以受彎為主的桿件的橫向裂縫

受彎為主桿件橫向裂縫必然造成構(gòu)件凈截面抗彎截面模量的減小，從而造成構(gòu)件受彎安全度降低，此類(lèi)裂縫通常是受力裂縫或因外部物理?yè)p傷引起的，結(jié)構(gòu)上則必須進(jìn)行安全驗(yàn)算并采取足夠加強(qiáng)措施。

2.5 構(gòu)件的斜向裂縫

構(gòu)件產(chǎn)生的斜向裂縫通常是受力裂縫，如檁條、梁等構(gòu)件在扭矩作用下造成的木結(jié)構(gòu)構(gòu)件纖維斷裂的橫向裂縫和縱向裂縫共同發(fā)展而成，最終形成的受扭斜裂縫。

大部分構(gòu)件可以通過(guò)構(gòu)件類(lèi)別和裂縫分布判斷構(gòu)件裂縫類(lèi)別，部分受力復(fù)雜處則需要通過(guò)有限元軟件建模進(jìn)行受力狀態(tài)分析，再通過(guò)構(gòu)件內(nèi)力提取并與實(shí)際裂縫進(jìn)行對(duì)比，判斷其是否屬于受力裂縫，再進(jìn)一步判定其合理性和危害性，從而采取不同的加固手段。

3 加固方法

3.1 規(guī)范建議裂縫加固方法

規(guī)范[5]建議，木柱類(lèi)軸心受力為主的構(gòu)件，當(dāng)裂縫深度不超過(guò)1/3時(shí)，在裂縫寬度不大于3 mm時(shí)，可直接用膩?zhàn)庸茨▏?yán)實(shí)，裂縫寬度在3～30 mm可用木條嵌補(bǔ)并用耐水性膠粘劑粘牢。通過(guò)前文已知，木柱的縱向裂縫對(duì)構(gòu)件的受力影響較小，其加固的主要目的是避免蟲(chóng)害滲入構(gòu)件內(nèi)部，保證其耐久性，在感官表面上來(lái)處理裂縫。當(dāng)裂縫寬度大于30 mm外，除了木條嵌補(bǔ)外加耐水性膠粘劑補(bǔ)嚴(yán)粘牢外，再附加鐵箍2～3道，保證構(gòu)件整體性，避免裂縫貫通，使得構(gòu)件具有抵抗內(nèi)部缺陷引起的彎矩和偶然作用引起的彎矩（圖2）。

GB 50165-2020《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》[5]建議的梁坊的干縮裂縫，要求明顯高于柱類(lèi)構(gòu)件，當(dāng)水平裂縫深度小于梁寬1/4時(shí)，須采取嵌補(bǔ)措施并用2道以上鐵箍或玻璃鋼箍箍緊，當(dāng)裂縫深度超過(guò)梁寬1/4時(shí)，則需要進(jìn)行承載能力驗(yàn)算，承載力驗(yàn)算則主要是驗(yàn)算a-b截面的抗剪能力，如果無(wú)法滿(mǎn)足承載力要求，則需要通過(guò)增設(shè)支撐、更換構(gòu)件或其它處理方式。通過(guò)前文分析可知，梁、木望板等受彎構(gòu)件的縱向裂縫的豎向干縮裂縫危害性和柱的縱向干縮裂縫類(lèi)似，則可不必按此方式進(jìn)行加固，加固方法可以適當(dāng)弱化。

3.2 碳纖維加固

隨著傳統(tǒng)工藝的裂縫嵌補(bǔ)及鐵箍加固外，F(xiàn)RP加固木結(jié)構(gòu)的措施也被越來(lái)越多的研究和應(yīng)用。德國(guó)Wiesbaden工業(yè)大學(xué)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了CFRP對(duì)木結(jié)構(gòu)梁受拉區(qū)進(jìn)行加固來(lái)研究加固后木結(jié)構(gòu)梁抗彎能力[6]，試驗(yàn)結(jié)果表明CFRP可以有效傳遞木結(jié)構(gòu)斷裂纖維的應(yīng)力，對(duì)木材的自身缺陷和受力損傷均可以起到很好的加強(qiáng)作用，最終梁的承載能力可以提高64 %左右;同濟(jì)大學(xué)邵勁松[7]對(duì)FRP加固木柱和木梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)合理粘貼FRP可以對(duì)木結(jié)構(gòu)梁的抗彎能力提升明顯，環(huán)向加固木柱還可以提高構(gòu)件的抗壓承載力，改善構(gòu)件延性。

3.3 專(zhuān)業(yè)螺釘加固

近年來(lái)也有一些針對(duì)木結(jié)構(gòu)裂縫的專(zhuān)業(yè)自攻螺釘被提出應(yīng)用于縱向裂縫和橫向裂縫裂縫的加固措施中[8]，加固采用細(xì)長(zhǎng)自攻螺釘貫穿構(gòu)件裂縫，在剪彎段，自攻螺釘可以實(shí)現(xiàn)很好的修復(fù)率（圖3）。

4 結(jié)論

木結(jié)構(gòu)是一種環(huán)保、有文化底蘊(yùn)的結(jié)構(gòu)形式，以后也將越來(lái)越多的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，工程師在面對(duì)此類(lèi)構(gòu)件的裂縫問(wèn)題時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)桿件類(lèi)別、裂縫形式、裂縫深度、裂縫寬度、裂縫危害等選用不同的加固手段，針對(duì)受力裂縫，應(yīng)該采取更強(qiáng)的加強(qiáng)措施，對(duì)構(gòu)件承載力影響較小的干縮裂縫則可降低要求，進(jìn)行耐久性和外觀修補(bǔ)。必要時(shí)按實(shí)際截面進(jìn)行模型復(fù)建和構(gòu)件承載力驗(yàn)算判斷裂縫的危害性。

軸心受力為主的木構(gòu)件縱向干縮裂縫和受彎構(gòu)件的縱向豎向裂縫通常對(duì)構(gòu)件危害性不大，受彎構(gòu)件的縱向水平裂縫和各類(lèi)木構(gòu)件的橫向裂縫及斜向裂縫通常是受力裂縫，對(duì)木構(gòu)件的危害性較大，需要針對(duì)性驗(yàn)算，必要時(shí)采取受力加固。

木結(jié)構(gòu)加固手段也由傳統(tǒng)的嵌補(bǔ)+鐵箍的方式發(fā)展改進(jìn)，現(xiàn)今FRP加固手段也較為成熟且取得了較多的工程應(yīng)用案例，近來(lái)還有些學(xué)者采用自攻螺釘加固方法，實(shí)際工程中工程師可根據(jù)不同加固手段的特點(diǎn)靈活選用。

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