舊木桁架加固工程例解

張鵬程　蘇釗藝

(廈門大學建筑與土木工程學院　福建廈門　361000)

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舊木桁架加固工程例解

張鵬程蘇釗藝

(廈門大學建筑與土木工程學院福建廈門361000)

因磚石墻體、大木屋架耐久性較好，在我國各地村鎮(zhèn)，仍有許多上世紀六、七十年代建造的大跨度木屋架結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)一般無明顯頹壞，局部因漏雨、蟲蛀出現(xiàn)糟朽較常見。為節(jié)省開支，對其進行必要的修繕后還可以繼續(xù)使用。以福建廈門某村禮堂料石墻-木桁架結(jié)構(gòu)檢測、鑒定、加固工程為例，介紹對此類結(jié)構(gòu)效果較好的加固方法,包括對老結(jié)構(gòu)性能的判斷分析方法，及碳纖維等新材料用于木結(jié)構(gòu)加固的幾點注意事項。

加固改造；料石墻-木屋架結(jié)構(gòu)；碳纖維

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0　引言

木材具有價格便宜、簡單易用，性能優(yōu)良等優(yōu)點，歷來被作為主要建筑結(jié)構(gòu)材料[1]。目前我國仍保存有大量木結(jié)構(gòu)的民宅、橋梁、寺廟、塔樓等結(jié)構(gòu)。因磚石墻體、大木屋架耐久性較好，在我國各地村鎮(zhèn)，仍有許多上世紀六、七十年代建造的大跨度木屋架結(jié)構(gòu)，其主體結(jié)構(gòu)一般無明顯頹壞。2014年2月，浙江金華磐安縣萬參鄉(xiāng)一婚禮現(xiàn)場的木結(jié)構(gòu)禮堂發(fā)生坍塌，造成多人傷亡的重大事故。看似完好的舊木屋架，如果疏于檢修，也會釀成坍塌事故。這些老舊房屋中，有的有紀念意義或有文物保留價值，需要保護、修繕；有的仍然是村上最好的公用建筑，作為禮堂、會堂、電影院等公共集會場所，但因為缺少資金而無力翻建。檢測、維修、加固，可以在現(xiàn)有大部分材料仍可繼續(xù)使用的基礎上，以最低的資金投入延長該建筑安全使用年限。同時，由于建材資源不容浪費，拆舊筑新必然破壞原有建筑時代文化色彩，同時又會造成新的浪費。本著綠色環(huán)保的理念，對耐久性很好的老建筑進行改造、維護、加固，已經(jīng)成為全球許多歷史名城最普遍采用的方法。如，倫敦、羅馬等，老建筑是歷史文化的載體，是城市的標志，很少被拆除換新。關注老建筑的修繕加固與研究新材料、新結(jié)構(gòu)一樣，都是結(jié)構(gòu)工程師需要開展的工作。

1　老建筑結(jié)構(gòu)加固的一般方法[2]

對于一幢老建筑，按常理，首先要進行必要的現(xiàn)狀信息采集，試驗檢測其材料現(xiàn)狀性能，測量變形、位移、傾斜等狀況，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)安全性能作出判斷，即檢測與鑒定。

檢測，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)具體狀況來確定檢測項目，有的需要勘探地基的惡化，有的需要測量柱、墻等承重結(jié)構(gòu)的傾斜，有的需要檢測材料力學性能的退化，因試驗費用不菲，需要結(jié)構(gòu)工程師選擇最為必要的檢測項目，并根據(jù)結(jié)構(gòu)受力及變形現(xiàn)狀進行必要的驗算。

鑒定，對于結(jié)構(gòu)簡單、做法成熟的老建筑，鑒定結(jié)論宜具體到每個構(gòu)件或每部分部件，而不宜只作出一概而論的“危房”或“安全”的、沒有實際價值的結(jié)論。

加固，一般需要在不改變原有建筑風貌的前提下，對已經(jīng)退化或破壞的構(gòu)件進行替換、更新、補救、加強；也可以采用減少荷載、改善結(jié)構(gòu)整體性、增強結(jié)構(gòu)抗震性能以及通過地基加固和基礎托換以改變結(jié)構(gòu)處理路徑、增加子結(jié)構(gòu)或輔助結(jié)構(gòu)等不限于局部構(gòu)件的結(jié)構(gòu)整體加固方案。構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的變形恢復及位移糾正尤為重要，與構(gòu)件材料強度退化相比，過大的變形、位移、傾斜及支座錯位更容易引起結(jié)構(gòu)坍塌。

2　工程實例

此處例舉一座位于福建沿海地區(qū)的料石砌筑墻-鋼木屋架的加固改造設計。該建筑是一座1963年修建的單層大跨度石墻木屋架瓦屋面結(jié)構(gòu)，原是用作村民集會的大禮堂，因年久失修，多處漏雨、掉瓦，白蟻侵蝕，門大多破損，已不能承受臺風威脅，日漸危險。該建筑雖已無圖紙檔案，但從現(xiàn)狀外觀可以看出當時經(jīng)過了正規(guī)設計:墻身帶壁柱，用方整料石砌筑；豪式鋼木屋架跨度18m，柱距3.5m；木檁條，椽板上鋪蘇制機瓦形狀的水泥瓦。

圖1　屋面破洞

圖2　屋架及墻體

原結(jié)構(gòu)設計合理，至今仍基本完好，稍作修葺即可使用。50年來，料石墻、豪式鋼木屋架尚基本完好，但屋面水泥瓦及木椽板破損嚴重，隨時有掉落危險，屋頂多處漏雨，大木屋架逐漸受到侵蝕?，F(xiàn)場照片如圖1、圖2所示。

經(jīng)請專家現(xiàn)場考察，認為可以加固修復，并對原建筑風貌予以保留。其中，屋面翻修最為迫切，擬將破舊的重瓦更換為輕質(zhì)屋面，完善屋面防水，并減輕已遭破壞的大屋架的荷重。同時對下部主體墻體予以檢修加固，修理門窗、座椅等，使其可用。另外，從防災安全考慮，加固改造后的禮堂擬應作為安全的地震防災避難場所。

2.1結(jié)構(gòu)檢測

主要檢測以下3個方面:(1)腐爛處：①早期木材腐爛容易出現(xiàn)變色、柔軟、吸水和其他現(xiàn)象,裂縫易在腐爛處展開；②當木腐真菌茁壯成長,經(jīng)常發(fā)出難聞的氣味;③腐爛表面沒有明顯的特點時，工人可插入一個刀或用錘子來檢查，如果刀很容易插入木材表面,證明了木材腐朽或者用一個錘子砸向木材表面時,木頭腐爛的聲音往往含糊不清；(2)白蟻:檢查白蟻時,如果白蟻發(fā)生在結(jié)構(gòu)使用期間或仍然潛伏在木制的部分,必須徹底殺蟲和防腐處理,并且應該測試分析結(jié)構(gòu)上的有害影響的條件；(3)木材缺陷:檢測木材存在裂縫、彎曲或者其他因素影響木材的屬性。

2.2結(jié)構(gòu)鑒定

根據(jù)對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的鑒定，發(fā)現(xiàn)部分之前進行了修復和加固的構(gòu)件已損壞，個別需要再次處理；還有部分的構(gòu)件，需要進一步觀察和處理，但不影響結(jié)構(gòu)的安全性。根據(jù)檢測的結(jié)果，可鑒定結(jié)構(gòu)為Ⅱ類建筑。同時還發(fā)現(xiàn)了桁架的傾斜小、砌體部分風化、墻體傾斜、水泥砂漿層脫落，可能是限于當時的技術水平,砌筑砂漿的強度較低，結(jié)構(gòu)延性差，又沒有采取有效的控制裂縫的措施，導致抵抗不均勻沉降附加應力的能力差,所以外部承重墻的傾向偏大，因此應該對外部承重墻進行加固。

其次，我們確定結(jié)構(gòu)的變形和不穩(wěn)定性:(1)桁架變形,構(gòu)件浸濕會影響桁架內(nèi)部的不穩(wěn)定性；(2)由于桁架的節(jié)點加工影響,導致大變形和桁架平面內(nèi)下垂；(3)因為桁架的平面外剛度不夠,特別是桁架節(jié)點的設計錯誤,導致桁架的平面外失穩(wěn)。

根據(jù)檢測和鑒定,發(fā)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)尚屬基本完整,但部分范圍內(nèi)部分構(gòu)件已經(jīng)損壞，如果忽略桁架的受損構(gòu)件，將會危及建筑的安全使用。這時候,往往采取用新構(gòu)件替換已損壞的構(gòu)件,它將確保整個結(jié)構(gòu)的可靠性和安全性。

2.3結(jié)構(gòu)加固[3-6]

2.3.1木屋架加固

本工程最具結(jié)構(gòu)加固價值的做法，即在屋架下弦桿用碳纖維加固。首先對下弦桿構(gòu)件表面裂縫處進行環(huán)氧樹脂壓力灌漿封閉處理，待材料達到一定強度后，清洗結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表面，通過打磨確定出的粘貼碳纖維布的區(qū)域，最后進行碳纖維膠粘。由于是用碳纖維膠粘，可以不破壞下弦桿的材料強度，同時，此種加固方法還具備自重輕、施工方便、耐腐蝕性能良好等優(yōu)點[7]。一般來說，碳纖維在木結(jié)構(gòu)中加固思路主要有：抗彎加固，利用碳纖維抗拉強度高的特性，將其粘貼在木梁受拉區(qū)，使之與木梁共同承受荷載，以提高木梁的受彎承載力；抗剪加固，把碳纖維粘貼于構(gòu)件的剪跨區(qū)，起到與箍筋類似的作用，從而提高構(gòu)件的抗剪承載力。

碳纖維為現(xiàn)代新型工程材料，抗拉強度比鋼材更高，木梁底粘貼碳纖維布后，可使梁彎曲中和軸降至幾乎接近碳纖維布頂面，理想情況下，木材將可全截面受壓，梁抗彎承載力提高至原來的2倍，梁截面抗彎慣性矩I亦提高至相當于同寬、2倍高的梁，即貼碳梁抗彎慣性矩Icb提高至原梁抗彎慣性矩I的8倍。以碳纖維作為抗拉加強材料，碳纖維嵌植于環(huán)氧樹脂中形成復合材料，起主要的承載作用。環(huán)氧樹脂作為樹脂基體，將碳纖維聚集粘附在一起，使離散的纖維形成整體，在纖維之間傳遞荷載，并使纖維協(xié)同工作，同時起保護作用。

而在屋架上弦節(jié)點處，先對構(gòu)件進行檢測鑒定，若原木構(gòu)件有腐朽或白蟻侵蝕，剝除糟朽部分，界面刷環(huán)氧樹脂，以干硬原木鑲?cè)耄饫p100寬碳纖維布帶，表面涂刷防火涂料。對于舊鋼筋拉桿，用鋼絲去除浮銹，勻刷黑色防銹漆，若銹蝕嚴重，即直徑縮小超過2mm，即在其側(cè)另加一根Φ20鋼絲刷，去除浮銹，勻刷黑色防銹漆。屋架上下弦桿加固做法如圖3、圖4所示。

圖3　上弦加固做法

圖4　下弦加固做法

碳纖維加固時，應注意以下3點事項：

(1)由于碳纖維布與木材是兩種力學性能完全不同的材料,它們粘結(jié)在一起能否成功主要取決于碳纖維布與木材之間的粘結(jié)性能,在二者粘結(jié)性能有保證的前提下,才可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。如果在加固梁未達到極限承載力時,就發(fā)生碳纖維布與木梁界面的剝離破壞,將導致加固的失效。

(2)對于碳纖維加固木梁，局部破壞是不可忽略的殺手，當木梁局部劈裂破壞，其木纖維就像刀刃一樣，把碳纖維布切斷。因而選擇黏貼劑時，不宜用硬脆的剛性膠，以避免降低局部隔斷碳纖維的可能性。同時，碳纖維太薄，碳纖維的粘貼需要緊貼，分段或綁扎，端頭捆綁自錨固。

(3)對于跨高比較大的木梁，受拉區(qū)采用碳纖維加固可以起到很好的效果，跨高比越小，越不明顯，此時，針對跨高比較小的木梁，可以考慮同時采用環(huán)向包裹的形式進行加固。在木材受彎變形后, 環(huán)向包裹對木材施加了可觀的環(huán)向約束力, 有效地約束了受壓區(qū)木纖維的開裂。

2.3.2墻體加固

根據(jù)《JGJ116-2009建筑抗震加固技術規(guī)程》土石墻承重房屋抗震加固時，可不進行抗震驗算，土石墻房屋的加固，可根據(jù)實際情況采取加固墻體、加強墻體連接、減輕屋蓋重力等措施。對墻體采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿加固, 其受壓承載力的計算公式如下：N=φcom(fA+fcAc+ηfγAs)

式中：φcom為組合磚砌體構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)；A為磚砌體的截面面積；fc為水泥砂漿的抗壓強度設計值；Ac為砂漿面層的截面面積；ηc為受壓鋼筋的強度系數(shù)，砂漿面層時取0.9；fγ為鋼筋的抗壓強度設計值；As為受壓鋼筋的截面面積。

墻體加固采用雙面鋼筋網(wǎng)，選用Φ6@200×200，用Φ6“S”形穿墻鋼筋拉結(jié)；單面鋼筋網(wǎng)用錨入墻內(nèi)的Φ6鋼筋拉結(jié)，間距為800mm，呈梅花狀布置。用M10水泥砂漿抹面，厚度為40mm。門窗洞口處為防止開裂，在洞口角部放置Φ8斜向鋼筋。經(jīng)計算，加固后的墻體的受壓承載力均能滿足要求。墻體加固做法、基礎加固做法見圖5、圖6。

采用鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固，能有效提高磚墻的抗震承載力。尤其砌體的抗剪剛度大但抗剪強度低，遇有較大剪切荷載(地震時)作用時，容易發(fā)生剪摩破壞，即方形砌體沿對角線方向(剪力最大處)開裂破壞，通過鋼筋網(wǎng)水泥砂漿面層加固，能有效提高墻體抗剪強度，提高墻體的穩(wěn)定性，避免裂縫的產(chǎn)生。

圖5　墻體加固做法

圖6　基礎加固做法

3　結(jié)語

在中國存在很多舊結(jié)構(gòu),威脅著人們的生命安全和財產(chǎn)，所以檢查、鑒定、加固舊結(jié)構(gòu)在未來會變得越來越重要，特別是老木頭結(jié)構(gòu),我們更應該重點關注其相關問題，例如，白蟻，木材腐朽，木屬性的變化等等。在加強舊木桁架結(jié)構(gòu)，工人應該收集必要的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息，然后測試材料性能，測量變形、位移、傾斜，從而判斷建筑和結(jié)構(gòu)的安全性能，我們應該按流程遵循這些重要的步驟?，F(xiàn)在有許多加固方法加固舊建筑，例如，改變材料或組件，移除組件，減少垂直荷載等等。但碳纖維加固是最簡單和實用的方法，它能有效保證碳纖維與木材，也可以有效地避免或減少木材的張力脆性破壞梁、減少木材本身的缺陷,如疤痕對木梁的彎曲性能的影響。在這個綠色和節(jié)能的新時代，碳纖維加固不僅節(jié)約木材資源，而且也能響應國家的號召，可供同類建筑物加固改造參考。

[1]楊會峰,劉偉慶,邵勁松,等.FRP加固木梁的受彎性能研究[J].建筑材料.2008.10(5),591-597.

[2]呂西林.建筑結(jié)構(gòu)加固設計[J].北京:科學出版社.2001.

[3]GB50003-2011 砌體結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].

[4]GB50011-2010 建筑抗震設計規(guī)范[S].

[5]GB50023-2003 木結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].

[6]JCJ116-98 建筑抗震加固技術規(guī)程[S].

[7]張德生,李遠瑛,蔣滄如.FRP材料在某廠房屋架加固工程中的應用[J].自然科學,2003，12(6)82-85.

張鵬程(1972-)，男，副教授，博士，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究方面的工作。

蘇釗藝(1989-)，男，研究生，主要從事防災減災工程及防護工程方面的工作。

Structural Reinforcement ：a Case Study on Wood Truss

ZHANGPengchengSUZhaoyi

(School of Architecture and Civil Engineering, Xiamen University, Xiamen 361000)

As natural material, wood has good durability. There are many masonry-wall wooden truss constructions built in about 1960 to 1980 years, have still been in use. The primary structure has no obvious decaying or damaged as whole, yet some parts deteriorated due to the leak of water or some parts rotted by Bugs or white ants. To ensure the carrying capacity of the structure, it is necessary to do some repair or reinforcement. The case study presents the detection, identification, and reinforcement of a timber roof truss structure built in a village of Xiamen in 1968, which include the performance analysis of the old structure and some key methods of carbon fiber used to reinforce timber structure. Also the study can give some good suggestions to the design or to reinforce similar structure more cost-effectively.

Structural Reinforcement；Timber roof truss structure；Carbon-fiber

張鵬程(1972-)，男，副教授。

2015-11-05

TU312+.3

A

1004-6135(2016)01-0055-04