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    碳纖維加固

    承德木結構古建筑修繕加固方法

       傳統木結構是我國古建筑中最主要的結構形式,自形成以來經歷了漫長的歷史階段,演變出許多鬼斧神工的建筑瑰寶,反映當時中國建筑在技術上和藝術上的成就。但千百年來因木材自生缺陷及遭受各種自然災害和人為損害,加上修繕工作不及時,許多木結構已產生較嚴重的累積損傷,其承載和變形能力均有不同程度降低,致使古建筑木構架處于危險狀態,嚴重影響結構安全。故對木結構開展合理的修繕加固尤為重要。

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              摘要: 經過數千年的發展和演變,古建筑木結構已成為我國乃至世界建筑藝術中的寶貴遺產。對古建筑木結構常見破壞形式進行了闡述,如腐朽、蟲蛀、開裂、拔榫、彎垂等。在此基礎上,歸納了木結構傳統修復加固技術,如對糟朽構件采用剔補、墩接等方法,對開裂構件采用嵌補法,對發生拔榫破壞的榫卯節點用鐵件拉結,對彎垂構件進行壓平、支頂等方法; 總結了現代加固技術,將加固對象按照主要受力構件加固分為木梁、木柱及榫卯節點等,并從性能方面分析采用纖維復合材料等現代加固技術對主要受力構件的加固效果。

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              傳統木結構是我國古建筑中最主要的結構形式,自形成以來經歷了漫長的歷史階段,演變出許多鬼斧神工的建筑瑰寶,反映當時中國建筑在技術上和藝術上的成就。但千百年來因木材自生缺陷及遭受各種自然災害和人為損害,加上修繕工作不及時,許多木結構已產生較嚴重的累積損傷,其承載和變形能力均有不同程度降低,致使古建筑木構架處于危險狀態,嚴重影響結構安全。故對木結構開展合理的修繕加固尤為重要。


              目前我國古建筑木結構修繕加固工作大多采用傳統修復加固方法,主要依靠匠人經驗判斷,缺乏現代力學理論基礎,設計和施工難被現代工程師和技術工人掌握,科學性不強。同時快速發展的修復加固技術如新型復合材料加固技術尚集中在單一受力構件加固領域,未形成一個完整的體系。


              近年來國內外專家對古建筑木結構加固進行了大量研究,得出了系列研究成果。以古建筑木結構為對象,闡述了古建木結構的破壞類型,歸納了相應的傳統修復加固技術,總結了現代加固技術的應用,以期能更好地對古建筑木結構進行加固保護。


              一.古建筑木結構破壞類型


              1.1 腐朽


             木材腐朽在傳統木結構中普遍存在,危害程度也更大。常見的腐朽部位有墻內木柱柱根、局部的受彎構件以及木構架最上層的椽子、望板等,如圖 1( a) ,圖1( b)所示。腐朽的出現會對木材的纖維結構造成破壞,大大降低木材的性能,使構件截面受力面積減少,嚴重影響結構承載能力,從而使木結構產生各種破壞,甚至坍塌。


              1.2 蟲蛀


             木材由于空氣溫度和濕度的變化等周圍環境的影響,容易遭受有害甲蟲侵襲,有害甲蟲一般將木材蛀成針孔大小的蟲眼,并從蛀孔中掉落下白色粉末狀蛀屑,從而在木材表面或內部形成空洞,如圖1( c) 所示,造成木材強度下降。


            1.3 開裂


             木材在加工制作和使用過程中,外界溫濕度變化會造成木材各部分的含水率或干燥程度不同,從而導致木纖維的內外收縮不一致,木纖維沿縱向互相分離產生縱向干縮裂縫,如圖 1(d) 所示,并且隨著時間的推移,木結構受力構件在外力作用下原有的干縮裂縫不斷加深變寬,承載能力大大降低。


            1.4 拔榫


            古建筑木結構的節點多采用榫卯連接,榫卯節點在長期的受荷下,榫頭和卯口之間不斷摩擦,榫頭磨損使得榫頭與卯口產生縫隙,木材自身的材料干縮等促使榫頭與卯口之間的縫隙擴張,榫頭在外力作用下拔出,如圖 1 ( e) 所示。榫頭拔出使得榫頭與卯口間的受力面積減少,在外力作用下節點成為整體結構的薄弱部位,且節點失效破壞后,整體結構將容易轉變為機構而破壞。


            1.5 彎垂


             木結構中的受彎構件,主要包括梁、枋和檀等構件。由于長久的豎向荷載作用下,累積蠕變導致構件常常出現下垂,嚴重時會發生底部劈裂等現象,如圖 1(f) 所示。當構件彎垂尺度超過規范限制,嚴重危害木結構的安全時,應采取加固手段進行處理。

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             二.傳統修復加固技術


             針對木結構的常見破壞類型,目前運用最廣泛的是采用傳統加固技術對損壞的木構件進行修繕加固,傳統修復加固技術由工匠根據前人經驗總結而傳承保留下來的加固技術,通過采用原材料、原工藝、原做法,對產生破壞缺陷的構件或整體進行修復或更換。針對木結構常見的破壞類型,歸納傳統修復加固中對局部損傷構件的具體修復措施。


             2.1 糟朽加固


             不同程度的腐朽木柱,依據其腐朽程度,采用如下方法( 剔補或者墩接) 進行修繕加固處理:


            當木柱輕微腐朽,木柱剩余截面承載能力經過驗算尚能符合受力要求時,可將腐朽部分剔除,然后用干燥木材按照原樣進行修補; 當柱腳腐朽嚴重,但未超過 1 /4 柱高時,可采用墩接柱腳的方法處理。墩接法主要指將柱子腐朽部分截掉,換上新料,然后在新舊木料結合處做成榫卯進行連接。


            梁枋等其他構件腐朽修復加固方法和柱子類似。輕微腐朽可采用剔補法處理,如腐朽構件剩余截面不能滿足使用要求,宜選用原樹種干燥木材制成新構件進行更換。


            蟲蛀木構件修復加固采用類似腐朽木構件修繕加固技術。


            2.2 開裂加固


            當木柱的干縮裂縫深度不超過柱徑或該方向截面尺寸1/3時,主要采用嵌補方法對木柱進行修繕加固:


            當裂縫寬度不大于3mm時,用膩子把縫隙勾抹嚴實; 當裂縫寬度在3mm~ 30mm時,可用木條嵌補,并用膠粘劑粘牢; 當裂縫寬度大于30mm時,除用木條補嚴粘牢外,還需在修復處加2道~3道鐵箍。


            對于位于梁枋的干縮裂縫,當裂縫深度不超過梁寬或梁直徑的1/3 時,可采用嵌補的方法; 當裂縫深度超過梁寬的1 /3 時,且經驗算構件承載力不滿足受力要求,需在梁底下支頂立柱或在梁枋內埋設碳纖維板、型鋼。


            2.3 拔榫加固


            對于梁枋等構件的拔榫加固: 當榫頭完好,僅因柱架傾斜而產生拔榫時,將柱架撥正并用鐵件等加固件拉接;當梁枋完好,榫頭因糟朽、斷裂而脫榫時,先將破損部分剔除,再按原尺寸重新制作硬木榫頭,新榫頭通過粘膠固定在梁枋端部并嵌入卯口,然后用鐵件固緊。


             2.4 彎垂加固


             對于梁枋等受彎構件,當構件發生輕微垂彎且沒有劈裂現象時,將構件拆卸后反轉放置并施加一定壓力將其壓平; 當構件有斷裂跡象或撓度超過限值時,可采取開裂加固中的支頂法和補強法,若這些方法效果不好則采取更換構件的方法。


            三.采用現代手段加固


             結合古建筑木結構加固的基本要求,采用纖維增強復合材料(Fibre Reinforced Polymer,簡寫FRP) 、環氧樹脂、自攻螺釘等進行加固。FRP具有自重輕和施工便捷等優點,科技的發展降低了FRP的使用成本,使得FRP逐漸應用于木結構維修加固領域,且加固后易于滿足可識別、可逆性等要求。針對木構件常見的破壞類型,利用現代加固技術對受力構件與節點針對性加固可取得較好加固效果。


            3.1 木梁加固


             大量學者研究了干縮裂縫對木梁承載力的影響,并采用不同的加固方式恢復木梁的承載力。陳孔陽等研究了干縮裂縫對木梁承載力的影響,通過制作 4組帶有不同深度縱向干縮裂縫的木梁進行三分點加載試驗,結果表明: 當木梁處于受彎破壞時,裂縫對木梁承載力的削弱較小,處于順紋剪切破壞時,裂縫對木梁承載力的削弱較大。Calderoni 等通過實驗研究既有木梁的抗彎性能,研究表明裂縫對木梁的承載力影響較大。宋曉濱等為了研究縱縫對木梁承載力的影響規律及自攻螺釘對木梁承載力的修復效果,修復方式如圖2所示,通過彎曲加載試驗進行研究,研究表明: 位于木梁剪彎段截面中部的縱縫對木梁承載力削弱更大,木梁承載力可降至46.2% ; 自攻螺絲施加在彎剪段的修復效果更好,并基于實驗數據和理論分析推導出相應的木梁承載力計算公式。


             在纖維材料加固木梁的研究方面,張露等研究了帶木節的缺陷梁與碳纖維布加固梁的抗彎性能等,并且通過彎曲加載試驗分析缺陷所在位置對木梁承載力的影響。研究表明: 木節處于受拉區對木梁抗彎承載力的影響大于受壓區木節,在底部粘貼碳纖維布對于受拉區有缺陷的木梁能很好地起到加固效果。朱兆陽等通過彎曲加載實驗研究了FRP板隱蔽式加固截面削弱型木梁的抗彎性能,研究表明: 與模擬殘損梁相比,FRP板加固木梁的抗彎承載力及抗彎剛度均得到了顯著提高,其抗彎性能甚至超過了健康梁。Rescalvo F J 等提出了用碳纖維壓板條和碳纖維布復合加固木梁,如圖3所示,通過對老舊的木梁和加固木梁進行了抗彎性能試驗,結果表明: 與老舊木梁相比,加固梁的抗彎承載力不僅可以完全恢復甚至得到顯著提高。


             有學者研究鋼板對木梁的加固效果,楊勇等通過實驗研究了粘貼鋼板對木梁的加固效果。研究表明: 鋼板加固木梁能有效阻止既有縱向裂縫開展、提高殘損木梁承載能力和剛度,可用于不易更換的嚴重裂損木梁的補強加固。張富文等通過對未加固木梁和粘貼鋼板加固木梁進行1200d的長期持荷試驗研究,分析粘貼鋼板加固木梁的長期受力性能,結果表明加固鋼板對木材蠕變具有約束作用。


             目前對木梁的研究多集中于干縮裂縫對木梁承載力的影響,不同裂縫因素對木梁的影響不同,在同一條件下,當裂縫深度超過一定量,裂縫對木梁承載力的削弱作用變大; 裂縫位于木梁剪彎段截面中部對木梁承載力的削弱更大。學者多采用纖維復合材料對木梁進行加固,該加固方法能大幅度提高木梁的抗彎性能,起到較好的加固效果。


             3.2 木柱加固


             目前學者們對木柱加固技術已開展廣泛研究,主要集中在柱體補強加固和柱根腐朽加固等方面。


              張萌等通過試驗研究間隔粘貼纖維布加固矩形截面短柱的軸壓性能,分析纖維布的種類和加固層數對其抗壓承載力等性能指標的影響,結果表明: 纖維布加固都能提高木柱的承載力,不同種類的纖維布加固效果相差不大,隨著加固層數的增加,木柱的縱向變形和橫向變形分別增大和減小。王香云提出鋼管加固木柱(見圖4) ,通過對原木柱和鋼管加固木柱進行試驗研究,結 果 表 明: 鋼 管 加 固 木 柱 能 提 高 木 柱 抗 壓性能,補強加固效果顯著。


              在柱根腐朽方面,周乾等通過軸壓試驗研究采取CFRP布包鑲加固柱根( 如圖5所示) 的軸壓受力性能,結果表明: 采用CFRP布加固柱根后,木柱極限承載力及延性可大部分恢復,水平及豎向壓應變均得到提高。李宏敏等提出一種鋼套墩接加固方法,并對加固木柱進行軸心受壓試驗。研究結果表明: 墩接柱主要破壞狀態為類似于極值點失穩的破壞,鋼套墩接加固可以大幅提高木柱的抗壓承載力。


              目前木柱加固多采用纖維布加固,纖維布包裹 木柱使得木柱處于三軸受壓狀態,木柱的軸壓性能得到提高,橫向變形減小。鋼件加固木柱可以明顯提高木柱的抗壓承 載 力,但鐵件耐銹蝕差,容 易 導 致 加 固 效果降低甚至失效。


             3.3 榫卯節點加固


              古建筑木結構由于自身性能老化,榫卯節點制作時存在截面削弱,成為整體結構的薄弱部位,在地震等外力作用下容易發生拔榫現象,整體結構將容易轉變為機構而破壞。因此大量國內學者通過對梁柱榫卯節點進行加固,限制其發生榫頭拔出等破壞,并對榫卯節點加固前后的抗震性能進行研究。


             孫文等分別采用3種不同碳纖維布加固方案,如圖6所示,然后對這3種碳纖維加固的木構架進行擬靜力試驗,實驗結果表明: 碳纖維加固木構架后其承載力與剛度得到提高,其中雙層分離式碳纖維布整體加固效果更好。


              周乾等采用扒釘、CFRP 布與鋼構件3種材料加固傳統木構架榫卯節點,通過試驗對比分析加固后榫卯節點抗震性能,結果表明: 榫卯節點加固前后均有良好的變形能力,其中鋼構件的加固效果更好。薛建陽等研究角鋼加固后傳統民居木結構十字形半榫節點抗震性能,通過對未加固節點和角鋼加固的節點( 如圖7所示)進行低周往復加載試驗,結果表明: 與未加固節點相比,角鋼加固節點的承載力、剛度得到了明顯的提升,且節點承載力退化現象得到明顯的改善。


             劉芳蓮采用黏彈性阻尼器對榫卯節點進行加固,黏彈性阻尼器如圖8所示,通過擬靜力試驗研究加固后節點的抗震性能,結果表明: 黏彈性阻尼器能夠明顯提高節點的抗震性能,其中節點的更大彎矩提高更大。齊振東通過低周往復加載試驗研究了摩擦阻尼器加固后單向直榫節點的抗震性能,結果表明: 摩擦阻尼器在提升榫卯節點抗震性能表現優良,顯著提高榫卯節點的剛度及耗能能力。


              目前木結構榫卯節點加固方法主要由三大類組成,纖維布加固、鐵件加固、阻尼器加固。纖維布和鐵件加固方法比較成熟,纖維布主要以碳纖維布為主; 阻尼器加固方法起步較晚,研究不夠完善,沒有成體系,并且加固方法比較復雜,使用起來不太方便。這三類方法都能提高節點的承載力和剛度,并且限制榫卯節點在地震等外力作用下發生脫榫現象進而導致整體結構的坍塌。

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            四.結論


             對古建筑木結構的常見破壞模式進行了分類,闡述了傳統修復加固中對破壞類型的具體修復加固措施,總結了現代加固技術中對受力構件加固采用的不同加固方法及加固效果。


             1)木材腐朽在古建筑木結構最為常見,且木材腐朽多伴隨有蟲蛀破壞,對木結構危害更大。干縮裂縫常出現橫向、豎向受力構件中,對構件危害程度取決于裂縫深度與位置。榫卯節點發生拔榫破壞會導致梁柱嚴重傾斜,甚至使結構發生倒塌。


             2)傳統修復加固技術基于工匠傳承下來的老一輩工匠的修復加固經驗,側重于對損傷的木構件進行修補,其應用有鮮明的時代性和實用性,但加固主要依據經驗判斷,缺乏科學依據。


             3) 現代加固多采用輕質高強的纖維復合材料等,針對傳統古建筑木構件的破壞形式,通過分析受力機理,進行合理加固,結合古建木結構加固基本要求,該現代加固技術用于傳統木構件加固,技術適用性仍有待實踐檢驗。


             4) 傳統修復加固技術與現代加固技術都有自己的特點與優缺點,先要在傳承傳統工藝基礎上,積極采用新材料和新工藝彌補傳統工藝的不足,不斷更新完善古建筑木結構保護的技術體系,形成一套成熟的古建筑修繕加固技術體系。


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