鐵件加固技術(shù)在古建筑木結(jié)構(gòu)中應(yīng)用研究

周 乾,閆維明

(1.北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100124;2.故宮博物院,北京 100009)

我國的古建筑主要以木材為原料建造而成。千百年來,它們能夠歷經(jīng)各種自然災(zāi)害而完整保存下來,這與木材良好的抗彎、抗壓及抗震性能密切相關(guān)。然而,由于木材又有徐變大、彈性模量低、易老化變形等缺點(diǎn),這使得在外力作用下古建筑容易產(chǎn)生各種破壞,如梁架變形、梁柱開裂、節(jié)點(diǎn)拔榫等,因此需要進(jìn)行加固。鐵件材料由于具有體積小、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),因而自古以來便成為古建筑木結(jié)構(gòu)加固的主要技術(shù)手段。

不少文獻(xiàn)對鐵件加固古建筑木結(jié)構(gòu)的技術(shù)進(jìn)行了探討,如文獻(xiàn)[1]對故宮太和殿某梁架榫頭下沉的原因進(jìn)行了分析,提出了采用鐵件+木支撐進(jìn)行支頂?shù)姆桨?文獻(xiàn)[2]以四川省某古建筑為例,研究了汶川地震作用下該古建筑采用馬口鐵加固后的抗震性能;文獻(xiàn)[3]對扁鐵加固榫卯節(jié)點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)論證并肯定了加固效果;文獻(xiàn)[4]對應(yīng)縣木塔普柏枋和梁袱節(jié)點(diǎn)殘損機(jī)理進(jìn)行了分析,提出“插筋法”增強(qiáng)古建筑木構(gòu)件的橫紋局壓承載力的技術(shù)。然而,關(guān)于鐵件加固技術(shù)在古建筑木結(jié)構(gòu)的具體分類,以及技術(shù)存在的優(yōu)缺點(diǎn),相關(guān)研究甚少?；诖?本文將對鐵件加固技術(shù)在古建筑木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行歸納分析,并提出相關(guān)建議,為古建筑保護(hù)提供理論參考。

1 加固技術(shù)分類

基于工程勘查經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文獻(xiàn)成果,古建筑木結(jié)構(gòu)采用的鐵件加固技術(shù)大致可分為如下4類。

1.1 鐵箍加固

主要用于梁、柱構(gòu)件加固。對于柱而言,埋設(shè)在墻體內(nèi)的柱子缺乏通風(fēng),或外露的柱根經(jīng)常受雨水侵蝕時(shí),將產(chǎn)生糟朽;柱子長期承受上部荷載時(shí),將產(chǎn)生過大裂縫。對此采取的加固技術(shù)為:對于開裂的柱子直接用扁鐵包裹,然后用鉚釘固定;對于糟朽的柱子,將糟朽部位截除,換上相同尺寸的新料,然后用扁鐵進(jìn)行包裹,用鉚釘固定,古建工藝稱之為墩接,見圖1所示(虛線為加固位置)。對于梁而言,當(dāng)梁身產(chǎn)生開裂時(shí),也采用鐵箍對梁身進(jìn)行包裹,然后用鉚釘進(jìn)行固定的加固方法,見圖2所示(虛線為加固位置)。關(guān)于鐵箍尺寸,清《工程做法》卷五十一規(guī)定:“凡鐵箍以木料外圍尺寸定長厚寬尺寸,如外圍湊長三尺,即箍長三尺”[5]。鐵箍加固法主要通過鐵箍的核心約束作用來提高構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度。

圖1 柱加固

圖2 梁加固

1.2 鐵片加固

主要用于榫卯節(jié)點(diǎn)加固。榫卯連接是中國古建筑的特點(diǎn)之一,即構(gòu)件的一端做成榫頭形式,插入另一構(gòu)件預(yù)留的卯口內(nèi)實(shí)現(xiàn)連接。在外力作用下,一方面榫頭從卯口中拔出可耗散外部能量,減小結(jié)構(gòu)破壞;另一方面,拔榫削弱了構(gòu)件間的聯(lián)系,使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低,因而需要加固。對于圖3所示用于梁柱連接的燕尾榫節(jié)點(diǎn),通常采用厚約5 mm～15 mm的鐵片連接,然后用鉚釘固定。而對于圖4所示的半榫節(jié)點(diǎn),由于柱的卯口完全被貫穿,且插入的榫頭為容易拔榫的直榫形式,因而采取的加固方法為用5 mm～20 mm厚的鐵片從卯口上下端分別拉結(jié)榫頭,然后用鉚釘固定的做法(虛線為加固位置),古建工藝也稱為“過河拉扯”。清《工程做法》卷五十一規(guī)定[5]:“凡過河拉扯按柱徑加二份定長”,“每長一尺,用平面釘五個(gè)”。上述作法中,節(jié)點(diǎn)的部分承載力主要由固定鐵片的鉚釘承擔(dān)。

圖3 燕尾榫節(jié)點(diǎn)加固

圖4 半榫節(jié)點(diǎn)過河拉扯做法

對于圖5所示的檁頭節(jié)點(diǎn),由于榫頭和卯口所屬構(gòu)件均為水平向,因此通常采用的加固方法為將鐵片兩端削尖并做成彎鉤形式,釘入檁頭內(nèi),通過鐵片的彎鉤部分對木構(gòu)件的約束作用來限制檁頭的水平拔榫。

1.3 鐵鉤加固

主要用于頂棚及藻井爬梁加固。以頂棚為例,古建頂棚通常由帽兒梁(大龍骨)、小龍骨及天花板組成,其中帽兒梁為頂棚主要承重構(gòu)件,帽兒梁兩端則搭接在構(gòu)架承重梁(如五架梁、七架梁)的側(cè)面,搭接長度通常很難滿足抗剪要求。一般在帽兒梁的兩端采用鐵鉤加固。清《工程做法》卷五十一也有規(guī)定:“凡帽兒梁每根用挺鉤八根,其長徑臨期擬定”[5]。鐵鉤的一端固定在帽兒梁上,另一端固定在與帽兒梁連接的承重梁上,見圖6所示。鐵鉤固定的方式為:鐵鉤端頭削尖直接釘入構(gòu)件內(nèi),或端頭打卯孔再用鉚釘固定在構(gòu)件上。這種加固方式實(shí)際通過鐵鉤端頭或鉚釘約束力來提供部分抗剪承載力。

圖5 檁頭節(jié)點(diǎn)加固

圖6 頂棚加固

1.4 鐵釘加固

鐵釘主要包括固定角梁的穿釘,固定山花板的蘑菇釘,固定連檐、椽子的鑷頭釘、用于墻板拼接的兩尖釘?shù)萚6],主要用于小型構(gòu)件的拉結(jié)。實(shí)際工程中的加固做法為:用鐵釘將這些小型構(gòu)件進(jìn)行拉結(jié),鐵釘承擔(dān)部分拉、壓、彎、剪力。

2 加固算例

為詳細(xì)說明鐵件加固技術(shù)在古建筑木結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用,下面通過幾個(gè)算例進(jìn)行分析。

算例1:天安門城樓角檐柱墩接加固計(jì)算[7]。根據(jù)中國林科院對天安門城樓柱子的勘查分析,天安門城樓東北角外檐柱局部出現(xiàn)腐朽并呈空洞狀,該柱子直徑0.65 m,在柱高0.5 m處徑向深度0.11 m內(nèi)局部重腐,柱高1.0 m處自表面到內(nèi)部深處有局部重腐。經(jīng)研究采用墩接方案進(jìn)行加固,即采用新料代替腐朽部分,將墩接部分沿柱子截面分成兩個(gè)部分,每個(gè)部分各為半個(gè)圓柱,錯(cuò)縫搭接0.5 m,分兩次墩接加固。經(jīng)過計(jì)算,屋面?zhèn)鞯浇侵膲毫?7 t,而墩接的半個(gè)圓柱的受壓能力為62 t,滿足抗壓要求。此外,為了使墩接柱根新舊料形成受力整體,在墩接柱部位上下端各加一根直徑為20 mm的螺栓,在墩接部位自下由上設(shè)置3道鐵箍(下部為100 mm×5mm,上面2道為150 mm×5 mm),鐵箍臥入柱內(nèi),以便于柱子油飾施工,鐵箍中部每200 mm釘一根直徑為10 mm、長為120 mm的鐵釘,鐵箍搭接長度為150 mm,如圖7所示。該墩接方案于1999年施工,至今未發(fā)現(xiàn)任何問題。

圖7 天安門城樓角柱墩接示意圖

算例2:四川省廣元市大雄寶殿榫卯節(jié)點(diǎn)抗震加固計(jì)算。2008年汶川地震中,該古建筑前后檐雙步梁與金柱相交處柱頭嚴(yán)重傾斜,最大值達(dá)到0.18 m,見圖8(a)所示。計(jì)算結(jié)果表明[8]:柱頭大尺寸側(cè)移的主要原因是上述位置所在榫卯節(jié)點(diǎn)的拔榫造成的。因此,在確定結(jié)構(gòu)加固方案時(shí),可考慮基于結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)狀,加固前后檐拔榫的雙步梁,加固方案見圖8(b)所示,具體做法為:①雀替下木共原有通榫插入金柱,首先對雙步梁進(jìn)行支頂,將小木共拆除;②加固鐵件一端固定在雙步梁底皮,另一端用墊片、螺栓與金柱卯口卡住擰緊固定;③將木共榫上部刻槽使Φ 12鐵筋能夠埋入,并將木共內(nèi)側(cè)放置墊片和螺栓處局部剔除;④鐵活安裝完畢后將木共歸位;⑤加固鐵件涂刷無色防銹漆兩道。

通過對加固前后的構(gòu)架進(jìn)行模態(tài)對比分析,發(fā)現(xiàn)加固前構(gòu)架的振動(dòng)形式以扭轉(zhuǎn)為主,位置在挑檐檁高度,而上部梁架幾乎保持不動(dòng),與震害勘查的結(jié)果基本吻合,見圖8(c)所示;而加固后的構(gòu)架振動(dòng)形式以x或y單向平動(dòng)為主,體現(xiàn)了較好的抗震性能,見圖8(d)所示。另通過時(shí)程對比分析,發(fā)現(xiàn)加固后的構(gòu)架在地震作用下位移響應(yīng)及加速度響應(yīng)遠(yuǎn)小于加固前[9]。由此可知,上述加固方法可減小構(gòu)架的地震響應(yīng)并提高其抗震性能。

圖8 榫卯節(jié)點(diǎn)加固方案

算例3:故宮太和殿藻井爬梁加固計(jì)算[10]。在進(jìn)行故宮太和殿大修勘查時(shí),研究人員發(fā)現(xiàn)太和殿蟠龍?jiān)寰w下垂0.1 m,支撐藻井的爬梁北側(cè)端頭劈裂,裂縫長占梁的1/2左右,端頭開裂寬0.03 m～0.05 m,深0.25 m。該井口爬梁裂縫由藻井與爬梁相交處延伸至榫頭,而且開裂位置曾經(jīng)進(jìn)行過加固,見圖9(a)所示。另井口爬梁長8.46 m,截面尺寸0.30 m×0.36m,兩端做半榫刻口搭在天花枋上。通過對藻井進(jìn)行撓度分析表明:當(dāng)不考慮彈性模量折減時(shí),藻井的最大撓度值僅0.015 m;而考慮長期荷載作用下木材的彈性模量折減時(shí),藻井的最大撓度值達(dá)0.05 m。由于該值小于藻井目前的下沉值0.1 m,因此推測藻井的大撓度很可能由于井口爬梁開裂破壞所致。通過進(jìn)一步計(jì)算可知,藻井第一主應(yīng)力峰值產(chǎn)生在井口爬梁端部位置,其值為26.7 MPa,見圖9(b)所示,該值超過了《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的木材順紋抗拉強(qiáng)度容許值(8.5 MPa)。因此,在長期荷載作用下爬梁端部很可能發(fā)生局部受拉破壞而導(dǎo)致開裂。經(jīng)計(jì)算分析,采用2道120 mm(寬)×6 mm(厚)扁鐵箍對井口爬梁進(jìn)行加固,扁鐵在梁底用直徑為20 mm的螺栓進(jìn)行固定,以提高井口爬梁的抗壓及抗彎承載力,見圖9(c)所示。

圖9 藻井井口爬梁加固分析

3 討論與建議

3.1 存在問題

鐵件加固技術(shù)雖然在一定程度上可提高古建筑結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,但也存在如下問題:

(1)銹蝕:鐵件長期暴露在潮濕的空氣中時(shí),會生成氧化鐵并產(chǎn)生銹蝕,結(jié)果造成鐵件本身松動(dòng)或者斷裂,降低加固部位的強(qiáng)度和剛度,甚至有可能威脅結(jié)構(gòu)整體安全。如圖10所示加固柱子的鐵箍,在長時(shí)間氧化作用下已產(chǎn)生銹蝕,加固件已完全松動(dòng)、脫落,失去了對柱子的保護(hù)作用。由此可知,鐵件銹蝕是鐵件加固技術(shù)所需解決的一個(gè)重要問題。

圖10 鐵件銹蝕

(2)破壞木構(gòu)件:傳統(tǒng)的鐵件加固技術(shù)一般是采用鐵箍包裹木構(gòu)件,然后用鉚釘嵌入木構(gòu)件內(nèi)進(jìn)行固定;或者是將鐵件直接釘入木構(gòu)件內(nèi),通過對構(gòu)件拉接來提高節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。上述加固方式對木構(gòu)件往往會產(chǎn)生破壞作用。如圖11所示拉結(jié)檁頭節(jié)點(diǎn)的扒鋦子,在提高節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的同時(shí),也造成了檁頭開裂,從而形成新的結(jié)構(gòu)安全隱患。

圖11 破壞構(gòu)件

(3)不可逆性:如上所述,鐵件加固木結(jié)構(gòu)往往通過“嵌入”或“固定”的方式達(dá)到加固的目的。這種不可逆加固技術(shù)不僅不利于加固件的檢修或更換,也不利于木結(jié)構(gòu)的保護(hù)。在古建筑實(shí)際工程中,當(dāng)加固件老化銹蝕或者加固位置產(chǎn)生新的破壞時(shí),原有的加固件由于死死固定已無法拆除更換,通常只能再次選用鐵件進(jìn)行二次或多次加固,結(jié)果造成了某些構(gòu)件“遍身補(bǔ)丁”(見圖12所示),影響了加固效果。

圖12 不可逆加固法造成的二次加固

3.2 加固建議

基于上述存在的問題,對鐵件加固技術(shù)在古建筑木結(jié)構(gòu)工程的應(yīng)用有如下建議:

(1)合理的加固方式:即鐵件不僅能滿足加固要求,而且對木結(jié)構(gòu)無破壞,且符合可逆性即可靈活裝拆更換的原則。如故宮博物院與北京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的一種適用于古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)的加固裝置[11],該裝置包括有一個(gè)用于套住、固定梁的組件1和一個(gè)用于套住、固定柱的組件2。組件1與組件2由連接件固定連接,組件1包括有兩個(gè)能對稱扣合鎖固在梁表面的扁鋼卯與扁鋼榫,組件2包括有兩個(gè)能對稱扣合鎖固在柱表面的扁鋼卯與扁鋼榫,相關(guān)尺寸及照片見圖13所示。具體加固方法為:將組件1套在梁端,將組件2套在柱身,梁、柱鋼箍的伸長部分被置于梁端頂部位置并開孔用螺栓固定。由于梁、柱鋼箍均為榫頭卯口形式,安裝時(shí)僅需將榫頭與卯口扣住即可,安裝后鋼箍榫頭與鋼箍卯口拉緊。隨后用螺栓穿過加固梁、柱的鋼箍并用螺母擰緊。這種“包裹”形式的加固方法實(shí)際上利用鋼箍與木材表面的摩擦力來抵抗部分拔榫力,同時(shí)鋼箍梁提供附加支座來預(yù)防木梁因拔榫過大造成的局部失穩(wěn),因而適合于不同破壞程度的節(jié)點(diǎn)。由于該加固件是可拆裝的且摩擦力大小可通過對螺母的擰緊程度進(jìn)行控制,因此具有拆裝方便,保護(hù)木材等優(yōu)點(diǎn)。此外,螺栓、螺母的位置在梁頂正中部,參觀者站在地面不易察覺,因而保證了節(jié)點(diǎn)的外觀不受影響。圖13(c)為采取這種加固技術(shù)對某古建筑木結(jié)構(gòu)框架模型進(jìn)行低周反復(fù)加載試驗(yàn)的M-θ骨架曲線,其中B代表加固前,A代表加固后,易知采取這種加固方法有效地提高了節(jié)點(diǎn)的承載力和剛度。

圖13 一種榫卯節(jié)點(diǎn)加固方法

(2)材料替代:針對鐵件容易銹蝕的問題,可考慮采用其它加固來進(jìn)行替代。如環(huán)氧樹脂具有粘附力強(qiáng)、固化方便、化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),對開裂的木構(gòu)件具有較好的加固作用[12];碳纖維布材料(CFRP)作為一種新型加固材料,具有抗拉強(qiáng)度大、韌性好、施工方便、抗腐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),當(dāng)用它包裹在梁、柱、節(jié)點(diǎn)表面時(shí),通過對加固部位的約束作用來達(dá)到加固目的,試驗(yàn)已證明這種材料對古建筑木結(jié)構(gòu)具有良好的加固效果[13～15]。

4 結(jié) 論

本文對鐵件加固技術(shù)在我國古建筑木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了分類匯總,對加固效果進(jìn)行了計(jì)算分析,對技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了客觀評價(jià)。結(jié)果表明:鐵件加固技術(shù)在一定程度上可提高古建筑木結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度,是我國古代勞動(dòng)人民的智慧總結(jié)。但從長遠(yuǎn)角度看,該技術(shù)存在鐵件易銹蝕、破壞木構(gòu)件、不可逆性等問題。隨著科技的發(fā)展,鐵件加固技術(shù)將趨于更加合理化,而新型加固材料的不斷運(yùn)用,使得古建筑的保護(hù)不斷趨于完善。

[1] 石志敏,周乾,晉宏逵,等.故宮太和殿木構(gòu)件現(xiàn)狀分析及加固方法研究[J].文物保護(hù)與考古科學(xué),2009,21(1):15-21.

[2] 周乾,閆維明,楊小森.汶川地震古建筑輕度震害研究[J].工程抗震與加固改造,2009,31(5):101-107.

[3] 謝啟芳,趙鴻鐵,薛建陽.中國古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點(diǎn)加固的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2008,41(1):28-34.

[4] 王林安,樊承謀,付清遠(yuǎn).應(yīng)縣木塔普柏枋和梁袱節(jié)點(diǎn)殘損機(jī)理分析[J].古建園林技術(shù),2008,(2):46-49.

[5] 王璞子.工程做法注釋[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1995:279-281.

[6] 白麗娟,王景福.古建清代木構(gòu)造[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2007:204-205.

[7] 張峰亮.天安門城樓角檐柱墩接技術(shù)研究及施工[J].古建園林技術(shù),2004,(2):51-53.

[8] 周乾,閆維明,紀(jì)金豹.汶川地震古建筑震害研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,35(3):330-337.

[9] 周乾,閆維明.古建筑榫卯節(jié)點(diǎn)抗震加固數(shù)值模擬研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2010,8(3):23-27.

[10] 周乾.故宮太和殿藻井結(jié)構(gòu)分析[J].古建園林技術(shù),2009,(1):7-9.

[11] 周 乾,閆維明,李振寶,等.用于古建筑木結(jié)構(gòu)中間跨榫卯節(jié)點(diǎn)的加固裝置:中國,200920108277.0[P].2010-04-21.

[12] 薛玉寶.用環(huán)氧樹脂加固處理古建筑木構(gòu)件的方法[J].古建園林技術(shù),2009,(4):56-57.

[13] 于業(yè)栓,薛建陽,趙鴻鐵.碳纖維布及扁鋼加固古建筑榫卯節(jié)點(diǎn)抗震性能試驗(yàn)研究[J].世界地震工程,2008,24(3):112-117.

[14] 許清風(fēng),朱 雷.CFRP維修加固局部受損木柱的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2007,40(8):41-46.

[15] 許清風(fēng),朱雷.內(nèi)嵌CFRP筋維修加固老化損傷舊木梁的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2009,42(3):23-28.