古建筑木結(jié)構(gòu)加固方法研究

徐 婷

(甘肅省文物考古研究所,甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

傳統(tǒng)的古建筑木結(jié)構(gòu)在不同的破壞條件下會(huì)出現(xiàn)不同程度的損壞,通過(guò)有針對(duì)性的加固,可以使其恢復(fù)正常受力狀態(tài),維持古建筑結(jié)構(gòu)平衡穩(wěn)定,從而達(dá)到延長(zhǎng)古建筑壽命的目的。近幾年,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,古建筑木結(jié)構(gòu)加固方法也多種多樣,有些木構(gòu)件采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行加固,有些采用傳統(tǒng)挖補(bǔ)、包鑲方法加固。學(xué)者們通過(guò)大量的試驗(yàn)對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)加固方法進(jìn)行了研究,如對(duì)木構(gòu)件的抗彎、抗拉、抗壓、抗剪強(qiáng)度,不同方向的彈性模量,承載力、疲勞性能、抗震性能等方面的檢測(cè),提出了有效、經(jīng)濟(jì)、可發(fā)展性的保護(hù)方法。本文從古建筑木結(jié)構(gòu)特點(diǎn)入手,對(duì)其開(kāi)裂、糟朽、蟲(chóng)蛀、歪閃等各種不同類別的損傷進(jìn)行了探討;然后,著重討論了不同損傷類型木構(gòu)件的加固方法,以及新技術(shù)新材料的應(yīng)用,完善加固措施,提高古建筑保護(hù)水平。

1 古建筑木結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 木材為主要建筑材料

木材是我國(guó)古代建筑的重要原材料,因其具有良好的彈性、韌性,取材容易并且紋理色調(diào)豐富美觀而被廣泛使用。傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑擁有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形式,柱、梁、檁等構(gòu)件形成框架體系支撐著屋頂,屋頂與四周墻體圍合成一個(gè)封閉空間,可以滿足當(dāng)時(shí)的居住要求。木材不僅力學(xué)性能好,能夠保證建筑的安全性、穩(wěn)定性,而且易于加工,造型變化多樣。隨著社會(huì)的發(fā)展及科技的進(jìn)步,古建筑的結(jié)構(gòu)形式日益完善、豐富,外觀也更加美觀,具有獨(dú)特的魅力。

1.2 顯著的抗震性能

木結(jié)構(gòu)古建筑的抗震性能是十分優(yōu)越的,許多古建筑在經(jīng)歷了數(shù)次大大小小的地震后依舊完好,就能證明這一點(diǎn)。這是因?yàn)槲覀兊墓沤ㄖ怯珊芏嗄緲?gòu)件組合而成的框架結(jié)構(gòu),木材本身具有彈性,容易變形但變形后具有一定的恢復(fù)能力,而且木構(gòu)件之間的連接是榫卯形式,榫卯是一種柔性連接,地震時(shí)不容易被破壞,比起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的剛性連接具有較好的整體性;有些古建筑中還有斗拱,斗拱在柱和梁之間,將屋頂?shù)暮奢d傳遞給柱子,地震時(shí)斗拱像彈簧一樣可以緩沖上面?zhèn)鱽?lái)的巨大能量,同時(shí)還有額枋和地袱將所有柱子緊緊地拉結(jié)在一起,使房屋具有更強(qiáng)大的整體性,所以,俗話說(shuō)“墻倒柱立屋不塌”,可見(jiàn)木結(jié)構(gòu)古建筑的抗震性十分優(yōu)秀。

2 破壞類型

古建筑木結(jié)構(gòu)在人為破壞和自然環(huán)境的風(fēng)吹日曬或風(fēng)雨雪荷載長(zhǎng)期作用下,木材性能、結(jié)構(gòu)承載力都會(huì)有一定的降低,從而引發(fā)各種各樣的損傷,常見(jiàn)的損壞有以下幾種。

2.1 開(kāi)裂

開(kāi)裂是由于有些木材在制造過(guò)程中,因未進(jìn)行充分的烘干晾曬,導(dǎo)致表面部分干燥比較徹底,而木質(zhì)內(nèi)部纖維的收縮和震動(dòng)不均勻,隨著時(shí)間推移,木材因自身的收縮運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)裂紋;或由于梁、柱受荷載時(shí)間過(guò)長(zhǎng),木材本身材質(zhì)發(fā)生一定程度的退化,力學(xué)性能出現(xiàn)下降趨勢(shì),使其在外力作用下容易產(chǎn)生裂縫。開(kāi)裂形式主要有表裂、內(nèi)裂、端裂(劈裂)、輪裂四種,其中表裂和劈裂最為常見(jiàn)。

2.2 糟朽

引起木材腐朽的最主要原因是木腐菌的侵害,木腐菌是一種真菌,它會(huì)將木材本身分解為簡(jiǎn)單的養(yǎng)分供自己攝取,從而造成木材的腐壞。如果木材的含水率為30%～50%,并且長(zhǎng)時(shí)間處在10～30 ℃,在不通風(fēng)、潮濕的環(huán)境下,木構(gòu)件極易發(fā)生腐壞現(xiàn)象。最常見(jiàn)的部位是立柱根部和屋頂?shù)慕橇翰糠?這是因?yàn)橹母勘緛?lái)就比較潮濕,有些被完全包裹在墻壁中,缺少干燥和通風(fēng)的環(huán)境,時(shí)間長(zhǎng)了,就會(huì)發(fā)生不同程度的腐朽;角梁處于屋頂?shù)奈恢?在屋頂漏雨的情況下,經(jīng)常會(huì)由于積水而發(fā)生腐朽。腐朽會(huì)導(dǎo)致柱、梁、檁等構(gòu)件有效受力截面的減小,導(dǎo)致整體的抗壓、抗拉、抗彎值下降,從而破壞了建筑物的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 蟲(chóng)蛀

受到外界環(huán)境的影響,如在一定的溫度、濕度下,昆蟲(chóng)可在木材內(nèi)產(chǎn)卵、孵化成幼蟲(chóng),蛀蝕木材。蛀蟲(chóng)通常會(huì)將木材咬出一個(gè)個(gè)針孔大小的孔洞,在木材的表面或內(nèi)部形成貫通或封閉的孔隙使木材呈海綿狀,然后從孔隙中脫落出白色的木屑,使木材的強(qiáng)度變差。這種損害不僅會(huì)對(duì)古建筑的外觀造成影響,而且會(huì)使木構(gòu)架承載力降低,隨著時(shí)間的推移,嚴(yán)重時(shí)很可能會(huì)導(dǎo)致木質(zhì)柱、梁、檁、枋等受力構(gòu)件彎曲變形或折斷[1]。

2.4 拔榫

在古代建筑中,榫卯連接是古建筑中常用的連接工藝,用構(gòu)件上的凹凸部分增強(qiáng)抗拉拔能力,主要以柱和梁、柱與枋、柱與檁的聯(lián)連接為主。但是在長(zhǎng)時(shí)間的外力作用下,或因木材自身發(fā)生的收縮,導(dǎo)致梁、柱節(jié)點(diǎn)位置很容易發(fā)生錯(cuò)位。拔榫后,梁、柱構(gòu)件的有效受力截面減小,容易產(chǎn)生拉、壓、彎、剪等破壞,進(jìn)而影響構(gòu)件整體的力學(xué)性能。

2.5 彎垂

在古建筑木構(gòu)件中,梁、檁、枋等長(zhǎng)期受到橫向力和剪力的作用,導(dǎo)致構(gòu)件彎曲變形,若變形超過(guò)臨界值還會(huì)出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象。所以,當(dāng)構(gòu)件的撓度超過(guò)規(guī)定限值時(shí),應(yīng)及時(shí)采取加固手段進(jìn)行處理。

3 古建筑木結(jié)構(gòu)加固保護(hù)的原則

3.1 不改變?cè)瓲钤瓌t

古建筑是我國(guó)古代政治、經(jīng)濟(jì)、文化及社會(huì)活動(dòng)的載體,可以反映一定時(shí)期內(nèi)政治、經(jīng)濟(jì)、文化、社會(huì)生活的水平及特征。所以,在對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)加固的過(guò)程中,一定要堅(jiān)持不改變建筑原狀的原則。原狀有兩層含義:一是恢復(fù)原狀,二是保存現(xiàn)狀。當(dāng)要維修的古建筑資料齊全,有可靠的科學(xué)依據(jù),并且修繕技術(shù)成熟時(shí),可以考慮恢復(fù)原狀。當(dāng)古建筑要恢復(fù)的原狀沒(méi)有依據(jù),或依據(jù)不充分,抑或修繕技術(shù)尚不先進(jìn),則應(yīng)當(dāng)保存現(xiàn)狀,待時(shí)機(jī)成熟時(shí)再恢復(fù)原狀。在修繕時(shí)還應(yīng)注意:保存古建筑的原結(jié)構(gòu)、原形制、原材料、原工藝,避免古建筑在維修過(guò)程中受到破壞。因?yàn)楦淖兞嗽瓉?lái)的結(jié)構(gòu)、形式、構(gòu)件、做法,古建筑就失去了其原本的價(jià)值,也就失去了保護(hù)古建筑的意義。但是,對(duì)于古建筑之外添建的部分和古建筑上附加的危及建筑物安全的部分,應(yīng)當(dāng)予以清理拆除。

3.2 最小干預(yù)原則

在對(duì)古建筑殘損進(jìn)行勘察的過(guò)程中,應(yīng)遵循最小干預(yù)原則,最大限度地保持木結(jié)構(gòu)古建筑的真實(shí)性和完整性,從實(shí)際出發(fā),避免過(guò)度修繕,制定最優(yōu)維修方案,保護(hù)古建筑獨(dú)有的歷史、藝術(shù)、科學(xué)價(jià)值。

3.3 可逆性原則

在對(duì)古建筑進(jìn)行加固時(shí),要遵循可逆性原則,更換的構(gòu)件、緊固材料、連接構(gòu)件應(yīng)便于拆卸,以便日后拆除的時(shí)候,既不會(huì)對(duì)原有的建筑物結(jié)構(gòu)造成損傷,又方便維護(hù),還不影響今后利用更先進(jìn)的材料和技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行更合理的維修保養(yǎng)。

4 古建筑木結(jié)構(gòu)加固方法

4.1 整體維修與加固

4.1.1 修整加固

如果木構(gòu)架有微小變形,構(gòu)件位移不大,可用修整方法加固。這種方法是在不揭除瓦頂,不拆動(dòng)構(gòu)架的情況下,直接對(duì)木構(gòu)架進(jìn)行整體加固。

4.1.2 打牮撥正

打牮撥正是先將瓦頂揭除,拆下望板,但不拆落木構(gòu)架,而是將構(gòu)件支頂起來(lái),解除構(gòu)件承受的荷載,將傾斜、扭轉(zhuǎn)、拔榫的構(gòu)件重新歸位撥正后,再進(jìn)行整體加固,殘損嚴(yán)重的受力構(gòu)件必須及時(shí)進(jìn)行更換。在實(shí)際維修過(guò)程中,有時(shí)只需要打牮,不用撥正,比如抽梁換柱。

4.1.3 落架大修

當(dāng)主要的承重構(gòu)件殘損嚴(yán)重時(shí),就需要將所有或局部的木構(gòu)架拆落,把破損的構(gòu)件逐一修復(fù)或更換,重新裝配,并在安裝過(guò)程中對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)化。拆除時(shí)先揭除瓦頂,由上而下分層拆落望板、椽子、檁條、梁架。拆落前做好標(biāo)記編號(hào),并采取保護(hù)措施,以保證木構(gòu)件不受損壞。

4.2 局部構(gòu)件加固

4.2.1 挖補(bǔ)與包鑲

若柱子只是輕微的糟朽,柱芯完好,不影響柱子的應(yīng)力,表皮糟朽不超過(guò)柱子直徑的1/2時(shí),可采用挖補(bǔ)方法加固。先將糟朽的部分挖除,所剔的補(bǔ)洞內(nèi)壁應(yīng)向里傾斜,洞底剔鑿平整、無(wú)雜質(zhì),然后選用和柱子木質(zhì)一樣的木塊將補(bǔ)洞楔實(shí)緊密,再用膠粘結(jié)或釘子釘牢,將釘帽嵌入柱皮內(nèi),最后修整成柱身原有形狀。若柱子糟朽部分較大,沿柱身周圈一半以上,深度不超過(guò)柱子直徑的1/4時(shí),則采用包鑲方法加固。同樣需要先進(jìn)行挖除糟朽部分,補(bǔ)塊楔實(shí)緊密,粘結(jié)牢固,然后在補(bǔ)塊較大的部位加鐵箍1～2道,鐵箍接頭搭接處用釘子釘牢,鐵箍外皮與柱子外皮保持齊平。梁枋等構(gòu)件局部糟朽也可用挖補(bǔ)、包鑲方法加固。

4.2.2 裂縫嵌補(bǔ)

柱子的裂縫深度不超過(guò)柱徑或該方向截面尺寸1/3時(shí),裂縫寬度小于3 mm時(shí),用膩?zhàn)庸茨▏?yán)實(shí)即可。裂縫寬度在3～30 mm的用木條嵌補(bǔ),并用膠粘牢。裂縫寬度在30 mm以上,深度在柱徑截面尺寸的1/4以內(nèi)時(shí),也用木條嵌補(bǔ)粘牢,木條選用順紋通長(zhǎng)的,另外還應(yīng)在柱的開(kāi)裂段加2～4道鐵箍,開(kāi)裂較長(zhǎng)時(shí),可適當(dāng)增加箍的數(shù)量。若木柱有較大的斜裂或者裂縫寬度過(guò)大影響柱子的允許應(yīng)力時(shí),應(yīng)考慮更換。

梁、枋、檁等構(gòu)件的開(kāi)裂可由多種因素造成,隨著裂縫的出現(xiàn),承載力也會(huì)降低,因此,應(yīng)采取相應(yīng)的加固措施,對(duì)于輕微的裂縫,可用鐵箍直接加固。裂縫較大時(shí)可用木條嵌補(bǔ)密實(shí),用膠粘牢,并加設(shè)2～4道鐵箍。

4.2.3 化學(xué)材料澆鑄加固

當(dāng)柱子遭到蟲(chóng)蛀或者細(xì)菌侵害,柱子外皮完整,柱芯糟空,可用不飽和聚酯樹(shù)脂澆鑄加固。不飽和聚酯樹(shù)脂由304號(hào)不飽和聚酯樹(shù)脂、1號(hào)固化劑、1號(hào)促進(jìn)劑、石英粉按一定的配比制成,它是一種熱固性工程塑料,具有強(qiáng)度高、比重小、防腐性能好、加工成型方便等優(yōu)點(diǎn)。澆筑時(shí)要先加上扶柱,解除柱子承受的荷載,在柱子的一面分段開(kāi)澆鑄槽,將柱內(nèi)糟朽部分和雜質(zhì)全部剔鑿清理干凈,堵住漏洞,進(jìn)行澆鑄,澆鑄后,用木料將槽口封閉,用膠粘牢。

4.2.4 墩接

當(dāng)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),可采用墩接柱腳的方法處理。

(1) 木料墩接:將腐朽的部分剔除,選擇墩接的榫卯式樣(陰陽(yáng)巴掌榫、蓮花瓣榫),再加設(shè)鐵箍。

(2) 石料墩接:可用于不露明的柱,也可用于柱腳腐朽部分高度小于200 mm的柱。若是露明柱可將石料加工為小于原柱徑100 mm的矮柱,周圍用厚木板包鑲釘牢,并應(yīng)在原柱接縫處加設(shè)鐵箍一道。

4.2.5 支頂加固法

木結(jié)構(gòu)古建筑中,梁、檁、枋等水平構(gòu)件長(zhǎng)期受到自身重量和上部荷載的作用,導(dǎo)致出現(xiàn)彎垂現(xiàn)象,一般情況下,當(dāng)梁的垂度與跨度之比大于1∶120時(shí),應(yīng)采取加固措施,否則變形超過(guò)一定的限值就會(huì)劈裂、斷裂,嚴(yán)重影響古建筑結(jié)構(gòu)安全。加固時(shí)通常在彎垂部位的底部加設(shè)鐵板或鋼板,在下方支頂柱子,以分散木梁上的荷重。有時(shí)還會(huì)采用木質(zhì)隔墻來(lái)支頂。但是這兩種方法會(huì)使房屋內(nèi)部空間使用受到限制,為了使空間不受影響可以加設(shè)附加梁,即在前后檐柱的內(nèi)側(cè)各加一根木柱,木柱上托一根附加梁,以附加梁支撐原來(lái)的梁來(lái)增強(qiáng)梁的承載力。

5 新技術(shù)在木結(jié)構(gòu)維修中的應(yīng)用

為了更加科學(xué)、持續(xù)、規(guī)范地對(duì)古建筑進(jìn)行保護(hù),踐行預(yù)防性保護(hù)理念,各種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)也逐漸被廣泛應(yīng)用到文物保護(hù)工作中,如三維掃描技術(shù)、紅外技術(shù)、遙感技術(shù)、超聲波無(wú)損探傷技術(shù)、元素分析儀等,借助先進(jìn)科學(xué)手段能夠盡早對(duì)文物進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估,及時(shí)做出有效的風(fēng)險(xiǎn)防范措施,消除不利因素,使文物得以健康長(zhǎng)久保存。

5.1 超聲波無(wú)損探傷技術(shù)

古建筑中的木柱、梁等構(gòu)件,往往外表完好,但是內(nèi)部卻存在孔洞、裂縫、腐朽等病害,使古建筑存在安全隱患。超聲波無(wú)損探傷技術(shù)是檢測(cè)木材內(nèi)部缺陷的一種常用有效方法。超聲波頻率高于20 kHz,是一種頻率很高但波長(zhǎng)較短的機(jī)械波,它由物體振動(dòng)產(chǎn)生,可以在介質(zhì)中傳播。在不同樹(shù)種的木材中傳播的速度不同,有較高的能量、良好的方向性、很強(qiáng)的穿透力;在傳播過(guò)程中還會(huì)因?yàn)榻橘|(zhì)的變化發(fā)生折射、反射等現(xiàn)象;如果傳播距離遠(yuǎn),波的能量會(huì)減小,波形曲線的幅值也會(huì)相應(yīng)減小;如果內(nèi)部腐朽程度嚴(yán)重,波的傳播速度就會(huì)減小。根據(jù)以上特點(diǎn),采用智能超聲波檢測(cè)儀從不同方向?qū)δ静倪M(jìn)行超聲掃描,進(jìn)而采集數(shù)據(jù),建立坐標(biāo),整理數(shù)據(jù),進(jìn)行波形分析,可得到木材內(nèi)部損傷的位置及大小,根據(jù)檢測(cè)結(jié)果再對(duì)木構(gòu)件進(jìn)行維護(hù)、加固,消除隱患。

5.2 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)的應(yīng)用

在對(duì)古建筑木構(gòu)件進(jìn)行修補(bǔ)時(shí),由于木構(gòu)件的彈性模量不高,易發(fā)生變形,所以在進(jìn)行加固時(shí),可以將高強(qiáng)度的復(fù)合材料與木材相結(jié)合,以增強(qiáng)構(gòu)件承載力,從而達(dá)到古建筑的設(shè)計(jì)要求。碳纖維材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強(qiáng)體,以樹(shù)脂為基體的一種復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度高、剛性好、抗拉力強(qiáng)、耐高溫、韌性好、熱膨脹系數(shù)低、抗疲勞性和抗蠕變性好,而且自重輕、成本低、施工便捷,還符合古建筑加固中可逆可識(shí)別的要求,所以被廣泛地應(yīng)用在文物保護(hù)工程中。碳纖維材料是將碳纖維絲拉伸,然后浸潤(rùn)環(huán)氧樹(shù)脂,再用專業(yè)的機(jī)器擠壓成型,常用的有碳纖維布和碳纖維板。對(duì)于底部受壓破壞的木構(gòu)件,可以在構(gòu)件底部張拉碳纖維布,用碳纖維布強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)提高木構(gòu)件底部的抗壓強(qiáng)度。對(duì)于構(gòu)件榫卯連接處較大的變形位移,可以設(shè)置碳纖維板,用它良好的彈性模量,控制構(gòu)件的變形位移,提高構(gòu)件承載力。對(duì)于受剪力破壞的構(gòu)件,可以在構(gòu)件破壞的區(qū)域粘貼碳纖維布來(lái)提高木構(gòu)件承載力。另外,碳纖維還具有較好的抗腐蝕能力,將其與木材相結(jié)合,可有效地改善木結(jié)構(gòu)老化、腐朽問(wèn)題,延長(zhǎng)木構(gòu)件使用壽命。

近年來(lái),隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,出現(xiàn)了許多新材料、新技術(shù),有些技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟,為文物保護(hù)工作提供了新思路、新方法,可以安全可靠地應(yīng)用在古建筑維修加固工程中,還有一些新材料雖然擁有十分優(yōu)越的力學(xué)性能,但在生產(chǎn)制備、安全環(huán)保等方面還有一些沒(méi)有攻克的難題,暫時(shí)不能推廣應(yīng)用。比如碳納米管,雖然它具有許多異常優(yōu)秀的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能,被稱為“超級(jí)纖維”,但在生產(chǎn)時(shí),為了獲取到質(zhì)地均勻、缺陷少的單層管需要消耗更多的能量。此外,研究人員發(fā)現(xiàn)碳納米管會(huì)對(duì)人體造成一定傷害,如接觸后皮膚過(guò)敏,吸入后形成肺癌等。在其生產(chǎn)過(guò)程中殘留的鎳、鉻和其他金屬還會(huì)對(duì)環(huán)境造成很大的影響,甚至污染水體,造成某些水生生物的死亡等。如果能夠解決碳納米管經(jīng)濟(jì)環(huán)保、大量生產(chǎn)的問(wèn)題以及其他不良影響,碳納米管復(fù)合材料以它良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性,將具有廣闊的應(yīng)用前景。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固時(shí),要注意遵守“不改變文物原狀原則”,正確把握不改變?cè)瓲畹暮x,根據(jù)木構(gòu)件的損壞程度和類型,選用合適的加固方法,滿足現(xiàn)有的設(shè)計(jì)規(guī)范,避免因加固損壞古建筑的價(jià)值。注重將傳統(tǒng)加固方法與現(xiàn)代加固技術(shù)相結(jié)合,傳統(tǒng)材料和新材料靈活應(yīng)用,取長(zhǎng)補(bǔ)短,發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì),不斷完善和發(fā)展古建筑木結(jié)構(gòu)加固技術(shù)體系。