经过数千年的发展和演变,古建筑木结构已成为我国乃至世界建筑艺术中的宝贵遗产。对古建筑木结构常见破坏形式进行了阐述,如腐朽、虫蛀、开裂、拔榫、弯垂等。在此基础上,归纳了木结构传统修复加固技术,如对糟朽构件采用剔补、墩接等方法,对开裂构件采用嵌补法,对发生拔榫破坏的榫卯节点用铁件拉结,对弯垂构件进行压平、支顶等方法; 总结了现代加固技术,将加固对象按照主要受力构件加固分为木梁、木柱及榫卯节点等,并从性能方面分析采用纤维复合材料等现代加固技术对主要受力构件的加固效果。
古建筑木结构破坏类型 1.1
腐朽 木材腐朽在传统木结构中普遍存在,危害程度也最大。常见的腐朽部位有墙内木柱柱根、局部的受弯构件以及木构架最上层的椽子、望板等,如图
1( a) ,图1(
b)所示。腐朽的出现会对木材的纤维结构造成破坏,大大降低木材的性能,使构件截面受力面积减少,严重影响结构承载能力,从而使木结构产生各种破坏,甚至坍塌。 1.2
虫蛀 木材由于空气温度和湿度的变化等周围环境的影响,容易遭受有害甲虫侵袭,有害甲虫一般将木材蛀成针孔大小的虫眼,并从蛀孔中掉落下白色粉末状蛀屑,从而在木材表面或内部形成空洞,如图1(
c) 所示,造成木材强度下降。 1.3
开裂 木材在加工制作和使用过程中,外界温湿度变化会造成木材各部分的含水率或干燥程度不同,从而导致木纤维的内外收缩不一致,木纤维沿纵向互相分离产生纵向干缩裂缝,如图
1(d) 所示,并且随着时间的推移,木结构受力构件在外力作用下原有的干缩裂缝不断加深变宽,承载能力大大降低。 1.4
拔榫 古建筑木结构的节点多采用榫卯连接,榫卯节点在长期的受荷下,榫头和卯口之间不断摩擦,榫头磨损使得榫头与卯口产生缝隙,木材自身的材料干缩等促使榫头与卯口之间的缝隙扩张,榫头在外力作用下拔出,如图
1 ( e)
所示。榫头拔出使得榫头与卯口间的受力面积减少,在外力作用下节点成为整体结构的薄弱部位,且节点失效破坏后,整体结构将容易转变为机构而破坏。 1.5
弯垂 木结构中的受弯构件,主要包括梁、枋和檀等构件。由于长久的竖向荷载作用下,累积蠕变导致构件常常出现下垂,严重时会发生底部劈裂等现象,如图
1(f)
所示。当构件弯垂尺度超过规范限制,严重危害木结构的安全时,应采取加固手段进行处理。 传统修复加固技术 针对木结构的常见破坏类型,目前运用最广泛的是采用传统加固技术对损坏的木构件进行修缮加固,传统修复加固技术由工匠根据前人经验总结而传承保留下来的加固技术,通过采用原材料、原工艺、原做法,对产生破坏缺陷的构件或整体进行修复或更换。针对木结构常见的破坏类型,归纳传统修复加固中对局部损伤构件的具体修复措施。 2.1
糟朽加固 不同程度的腐朽木柱,依据其腐朽程度,采用如下方法(
剔补或者墩接) 进行修缮加固处理: 当木柱轻微腐朽,木柱剩余截面承载能力经过验算尚能符合受力要求时,可将腐朽部分剔除,然后用干燥木材按照原样进行修补;
当柱脚腐朽严重,但未超过 1 /4
柱高时,可采用墩接柱脚的方法处理。墩接法主要指将柱子腐朽部分截掉,换上新料,然后在新旧木料结合处做成榫卯进行连接。 梁枋等其他构件腐朽修复加固方法和柱子类似。轻微腐朽可采用剔补法处理,如腐朽构件剩余截面不能满足使用要求,宜选用原树种干燥木材制成新构件进行更换。 虫蛀木构件修复加固采用类似腐朽木构件修缮加固技术。 2.2
开裂加固 当木柱的干缩裂缝深度不超过柱径或该方向截面尺寸1/3时,主要采用嵌补方法对木柱进行修缮加固: 当裂缝宽度不大于3mm时,用腻子把缝隙勾抹严实;
当裂缝宽度在3mm~ 30mm时,可用木条嵌补,并用胶粘剂粘牢;
当裂缝宽度大于30mm时,除用木条补严粘牢外,还需在修复处加2道~3道铁箍。 对于位于梁枋的干缩裂缝,当裂缝深度不超过梁宽或梁直径的1/3
时,可采用嵌补的方法; 当裂缝深度超过梁宽的1 /3
时,且经验算构件承载力不满足受力要求,需在梁底下支顶立柱或在梁枋内埋设碳纤维板、型钢。 2.3
拔榫加固 对于梁枋等构件的拔榫加固:
当榫头完好,仅因柱架倾斜而产生拔榫时,将柱架拨正并用铁件等加固件拉接;当梁枋完好,榫头因糟朽、断裂而脱榫时,先将破损部分剔除,再按原尺寸重新制作硬木榫头,新榫头通过粘胶固定在梁枋端部并嵌入卯口,然后用铁件固紧。 2.4
弯垂加固 对于梁枋等受弯构件,当构件发生轻微垂弯
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