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中国古建筑木结构的破坏类型及加固方法

发布日期:2019-01-31 9:02:33阅读次数:字号:

 中国古建筑以木建筑为主,它们因其独特的受力性能,能够历经风雨,保存至今,如建于唐代的五台山佛光寺、建于辽代的山西应县佛宫寺释迦塔。




  然而,由于自然环境的影响,以及木结构本身材料的腐朽老化,再加上修缮工作不及时,许多古建筑的承载力和稳定性不断下降,甚至处于体系破坏、结构坍塌的危险境地。




  中国古建筑是人类各时期物质文明和精神文明的体现,是连接历史的桥梁,具有重要的历史价值和科学价值,保护好这些古建筑,使其能够长久保存下去,是我们当代建筑者不可推卸的重要责任,所以研究木结构的加固措施具有非常重要的意义。




  木结构在长期使用过程中,由于受荷时间长久,加之木材老化等原因,会导致木结构性能不同程度的降低,最终发生破坏。木结构常见的破坏类型有以下几种:




中国古建筑木结构




  (1)开裂




  木材在加工过程中水分没有完全蒸发,木材表层和内部干燥速率不同,导致木纤维内外收缩不一致,从而产生裂缝;木结构在使用过程中,由于长时间受荷,加之木材老化,其抗拉、抗压、抗弯、抗剪性能下降,从而在外力下产生裂缝。




  (2)腐朽




  木材的主要成分为纤维素、半纤维素多糖和木质素等,当木材长期处于潮湿环境时,会滋生真菌的繁殖,从而导致木材产生腐朽,遭受彻底破坏。常见的腐朽部位有柱脚、柱头、柁头和后檐檩等。腐朽可使构件的受力截面积减小、承载力降低,对结构非常不利。




  (3)变形




  木结构在荷载作用下会产生变形,但由于木材老化,造成承载力下降,或者结构负荷过重,可能导致变形超过规范允许值。构件变形过大,不但影响美观,也给结构安全带来很大隐患。




  (4)拔榫




  卯榫连接是古建筑木结构连接的主要形式,常用于柱与柱、柱与梁、梁与梁之间的连接。在长期受荷情况下,加上木材自身的收缩等因素,卯榫节点容易松动,发生拔榫现象。拔榫使梁柱的受力截面积变小、承载力降低,对结构整体产生不利影响。




  (5)蛀虫




  侵蚀木材的主要对象是白蚁,白蚁喜阴,多数分布于南方,所以南方木结构易遭虫蛀,北方相对较少。




中国古建筑木结构




加固方法




  木结构的加固措施有很多种,一般情况下都是多种方案相互结合使用,下面主要从整体加固和构件加固两个方面对其进行阐述。




  木结构的整体加固方法




  (1)落架大修




  即全部或局部拆落木构架,对残损构件或残损点逐个进行修整、更换残损严重的构件,再重新安装,并在安装时进行整体加固。落架大修的工程,应先揭除瓦顶,再自上而下分层拆落望板、椽、檩及梁架。在拆落过程中,应防止榫头折断或劈裂,并采取措施,避免磨损木构件上的彩画和墨书题记。这种方法适用于梁架构件拔榫、弯曲、腐朽、劈裂非常严重,必须更换构件或使榫卯归位的维修工程,不足之处是可能对结构的原貌造成损伤。




  (2)打牮拨正




  即在不拆落木构架的情况下,使倾斜、扭转、拔榫的构建复位,再进行整体加固。对个别残损严重的梁枋、斗栱、柱等应同时进行更换或者采取其他修补加固措施。对木构件进打牮拨正时,应先揭除瓦顶,拆下望板和部分椽,并将擦端的榫卯缝隙清理干净,如有加固铁件应全部取下,对已严重残损的檩、角梁、平身科斗等构件,也应先行拆下。这种方法适用于建筑外闪严重但大木构件完好、不需要换件或仅需换个别件的维修工程。




  (3)修整加固




  即在不揭除瓦顶和不拆动构架的情况下,直接对木构架进行整体加固。这种方法适用于木构架变形较小、构件位移不大、不需要打牮拨正的维修工程。




中国古建筑木结构




  木结构构件的加固方法




  (1)嵌补加固法




  对于木柱的干缩裂缝,当裂缝深度不超过柱径(或该方向截面尺寸1/3)时,可按嵌补方法进行修整。当裂缝宽度不大于3mm时,可在柱的油饰或断白过程中,用腻子勾抹严实;当裂缝宽度在3~30mm时,可用木条嵌补,并用耐水性胶粘剂粘牢;当裂缝宽度大于30mm时,除用木条以耐水性胶粘剂补严粘牢外,尚应在柱的开裂段内加铁箍2~3道,若柱的开裂段较长,则箍距不宜大于0.5m,铁箍应嵌入柱内,使其外皮与柱外皮齐平。




  对于梁枋的干缩裂缝,当水平裂缝深度(当有对面裂缝时,用两者之和)小于梁宽或梁直径的1/4时,可采用嵌补的方法进行修整,即先用木条和耐水性胶粘剂,将缝隙嵌补粘结严实,再用2道以上铁箍或玻璃钢箍箍紧。




  (2)墩接加固法




  当柱脚腐朽严重,但自柱底面向上未超过柱高的1/4时,可采用墩接柱脚的方法处理。墩接时,根据腐朽程度、部位和墩接材料,可分为木料墩接、钢筋混凝土墩接和石料墩接三种类型。木料墩接常用榫卯样式有巴掌榫、抄手榫等,施工时,除应注意使墩接榫头严密对缝外,还应加设铁箍,铁箍应嵌入柱内;钢筋混凝土墩接仅用于墙内的不露明的柱子,高度不得超过1m,柱径应大于原柱径的0.2m,并留出0.4m~0.5m长的钢板或角钢,用螺栓将原构件夹牢,混凝土强度不应低于C25;石料墩接可用于柱脚腐朽部分高度小于0.2m的柱子。




  (3)化学加固法




  木材内部因虫蛀或腐朽形成中空时,若柱表层完好厚度不小于50mm,可采用不饱和聚酯树脂进行灌注加固。首先应在柱中应力小的部位开孔,然后清除朽烂的木块、碎屑,最后灌入树脂至饱满,且每次灌注量不宜超过3kg,每次间隔时间不宜少于30min.文献中指出,该法用于徐州戏马台古建筑群之一风云阁的木柱加固维修,加固后没有发现问题,使用效果良好。




  (4)FRP加固法




  FRP复合材料是由纤维材料与基体材料(树脂)按照一定比例混合后形成的高性能材料。在加固工程中,通过粘结剂将其粘贴在被加固构件表面,从而提高结构构件的承载力。FRP复合材料具有自重轻、受力性能好、便于施工等优点,木结构加固中主要应用与木梁、木柱、榫卯节点的加固。文献[5]和文献[6]对碳纤维布加固木构架榫卯节点进行研究,结果表明,该加固方式对榫卯节点强度和刚度提高不是很大,但能恢复到未破损之前的状态,适合于破损程度较小的榫卯节点。




  中国古代木建筑历经沧桑,保留至今,是祖先留给我们的宝贵财富,如何将这一宝贵财富继续保存下去,是我们不可辜负的使命。随着科技的发展和对木结构研究的不断深入,优化改进的木结构加固技术将会对其修复加固工作提供更好的依据和保障。