故宮古建檁三件典型殘損問題分析

周 乾，楊 娜

（1.故宮博物院，北京100009；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044）

故宮古建檁三件典型殘損問題分析

周 乾1，2，楊 娜2

（1.故宮博物院，北京100009；2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044）

基于檁三件典型構(gòu)造和受力特點(diǎn)，對其典型殘損問題進(jìn)行了歸納和匯總，分析了問題產(chǎn)生原因，提出了加固建議。結(jié)果表明：故宮古建筑檁三件容易出現(xiàn)的殘損問題包括糟朽、撓度、開裂、構(gòu)件分離、墊板歪閃、連接松動(dòng)等，產(chǎn)生這些殘損問題的原因與古建大木施工工藝、木材材性、檁三件構(gòu)造特征、外力作用等因素密切相關(guān)；采取鐵件或CFRP材料包裹、貼補(bǔ)，以及拉接、支頂、化學(xué)加固、替換等方法均可實(shí)現(xiàn)檁三件的有效加固。

古建筑木結(jié)構(gòu)；檁三件；殘損；故宮

檁三件一般是指桁檁（大式建筑稱為桁、小式建筑稱為檁，本文為便于論述，統(tǒng)稱為檁）、墊板、枋三種木構(gòu)件組成的體系。檁擱置在梁頭上，承擔(dān)椽子傳來的屋面重量。位于檐柱上的檁，稱為檐檁；位于屋脊上的檁，稱為脊檁；檐柱與屋脊之間的所有檁，稱為金檁［1］。其中，金檁按所處高度，又分為上金檁、中金檁、下金檁。

每條檁下面，與之平行疊合的構(gòu)件，稱為墊板或枋。不同位置的墊板、枋的稱謂與檁相同，如位于脊步則稱為脊墊板和脊枋，位于檐部則稱為檐墊板和檐枋。檁、墊板、枋疊合在一起共同承擔(dān)屋面荷載。位于建筑檐部的檁三件，大式建筑中常有帶斗木共作法。金三件、脊三件一般位于頂棚內(nèi)，故可稱為內(nèi)檐檁三件。當(dāng)內(nèi)檐檁三件不設(shè)頂棚時(shí)（如部分門廡建筑），內(nèi)檐檁三件大都采取露明作法（檁三件上繪有彩畫）。此外，部分古建筑也有僅使用檁、枋疊合體系的形式。上述不同類型的檁三件詳見圖1。檁三件在上下方向進(jìn)行疊合，共同承擔(dān)屋面?zhèn)鱽淼淖饔昧Γ⒃撟饔昧鹘o柱子。

圖1 檁三件圖

由于木材具有易糟朽、易開裂等問題，在長時(shí)間自然或人為因素作用下，古建大木結(jié)構(gòu)的檁三件不可避免的出現(xiàn)殘損（即處于無法正常受力、不能正常使用或?yàn)l臨破壞的狀態(tài)）［2-4］，并威脅到結(jié)構(gòu)整體性的安全，因而對它們進(jìn)行殘損鑒定極其重要。本文基于大量勘查及分析結(jié)果，探討故宮古建木構(gòu)檁三件的典型殘損問題，分析其產(chǎn)生原因，提出相關(guān)加固方案，結(jié)果將為故宮古建筑修繕加固提供參考。

在對檁三件進(jìn)行殘損鑒定時(shí)，其殘損判別依據(jù)與梁基本相同，即：材質(zhì)的腐朽及老化程度應(yīng)在許可范圍內(nèi)；沿構(gòu)件任一部位不可有蟲蛀孔洞；構(gòu)件的關(guān)鍵受力部位，木節(jié)、扭（斜）紋或干縮裂縫的尺寸應(yīng)在許可范圍內(nèi)；構(gòu)件的豎向或側(cè)向變形應(yīng)在許可范圍內(nèi)；沿構(gòu)件任一部位無明顯損傷；構(gòu)件歷次加固現(xiàn)狀完好。

1 典型問題

基于對故宮大量古建筑的勘查結(jié)果，歸納得檁三件的典型殘損問題主要包括如下幾個(gè)方面：

（1）糟朽。即檁三件（或其中部分構(gòu)件）由于受到木腐菌侵蝕，不但顏色發(fā)生改變，而且其物理、力學(xué)性質(zhì)也發(fā)生改變，最后木材結(jié)構(gòu)變得松軟、易碎，呈篩孔狀或粉末狀等形態(tài)［5］。一般而言，檁三件糟朽有兩種情況：其一是檁三件露明情況。檁三件位于屋頂梁架內(nèi)，檁相對于墊板、枋而言位于上部，但位于椽子下部，且直接與椽子接觸。因此當(dāng)屋頂漏雨時(shí)，雨水容易順著椽子往下留到檁部，并使得檁容易產(chǎn)生糟朽問題，見圖2（a），其下部的墊板、枋相對而言糟朽可能性較小。其二是檁三件隱蔽情況。對于某些古建筑而言，其后檐檁三件被包砌在墻體內(nèi)時(shí)，很容易因空氣不流通而產(chǎn)生糟朽，見圖2（b）。檁三件糟朽問題削弱了檁三件自身的有效受力截面尺寸，降低了其受力能力，在豎向荷載作用下很容易產(chǎn)生過大變形或斷裂問題，因而應(yīng)予預(yù)防或避免，或及時(shí)采取加固措施。

（2）撓度。檁三件的撓度問題主要指檁三件在豎向作用下產(chǎn)生的過大變形。該種問題主要出現(xiàn)在檁、枋截面尺寸較小，或長期荷載作用下木材彈性模量降低的情形時(shí)［6-7］。如圖3為故宮某古建筑西山挑檐檁撓度現(xiàn)狀圖。測得檁撓度最大值達(dá)13 cm，位置在跨中。盡管目前未發(fā)現(xiàn)該挑檐檁存在其他的殘損問題，但該撓度問題應(yīng)予以重視。這是因?yàn)闄_三件的過大撓度不僅影響了木構(gòu)件自身外觀，而且對木構(gòu)件受力性能產(chǎn)生不利影響，在突發(fā)的外力（如地震、大風(fēng)）作用下，撓度過大的檁枋構(gòu)件無任何預(yù)防措施時(shí)，很可能產(chǎn)生受彎斷裂。此外，由于檁三件上部支撐屋頂椽子、望板及瓦件，但檁枋撓度過大時(shí)，很容易導(dǎo)致上部屋面體系變形，使得瓦件松動(dòng)、屋面漏水問題發(fā)生。由此可知，對檁三件的撓度問題應(yīng)采取及時(shí)有效的加固措施。

圖2 檁三件糟朽

（3）構(gòu)件分離。檁三件一般上下疊合，共同承擔(dān)屋頂傳來的荷載。但在外部因素所用下，檁枋構(gòu)件沿豎向會(huì)產(chǎn)生分離。檁、墊板、枋不再上下疊合，而是之間有一定空隙，見圖3。其中，圖4（a）為檁-枋體系中檁與枋相互分離圖；圖4（b）為檁-墊板-枋體系中墊板與枋分離圖。不論何種情況，檁三件中構(gòu)件分離使得屋頂傳來的荷載由檁單獨(dú)承受（枋截面尺寸小，分擔(dān)彎矩比例小很多），而當(dāng)檁有效受力截面不足時(shí)（開裂、糟朽或上部荷載增大等原因形成），將造成檁撓度過大甚至斷裂，使得其上部屋頂體系產(chǎn)生較明顯凹陷，并使得瓦面局部下沉，造成屋頂滲水，從而誘發(fā)屋頂木構(gòu)件的糟朽。此外，檁三件構(gòu)件分離亦不利于梁架的穩(wěn)定，檁若產(chǎn)生受力破壞，其所在木構(gòu)架很可能產(chǎn)生局部失穩(wěn)。

圖3 檁枋撓度

圖4 構(gòu)件分離

（4）構(gòu)件歪閃。該問題在故宮古建筑梁架內(nèi)較為多見，即指檁、墊板、枋的底面中軸線不一致。檁三件的歪閃包括2種情況：對于檁-墊-枋體系而言，墊板很容易產(chǎn)生歪閃，見圖5（a）；對于檁-枋體系而言，枋很容易產(chǎn)生歪閃，見圖5（b）。對于前者而言，墊板是位于檁枋之間的木構(gòu)件，作用主要為傳遞檁部豎向荷載給枋；對于后者而言，檁直接將荷載傳給枋。檁、墊板、枋之間僅為純粹的疊合，并無彼此間的約束關(guān)系，在外力作用下，檁、墊板、枋很可能側(cè)向變形不一致，從而引起歪閃。無論何種情況，檁三件的歪閃使得檁部荷載無法正常傳遞，或者造成枋偏心受力，從而引起檁變形過大或斷裂，而墊板、枋無法發(fā)揮承載作用。該情況不利于檁三件正常受力，甚至?xí)T發(fā)屋面產(chǎn)生過大變形并導(dǎo)致漏雨，甚至引起梁架局部失穩(wěn)問題，因而有必要采取有效控制措施。

（5）開裂。開裂是指木材纖維與纖維之間分離形成的裂隙。檁三件（或其中部分構(gòu)件）的開裂既包括自然干裂，也包括受力破壞裂縫。裂縫方向既有水平向（圖6（a）），也有豎向（圖6（b））。無論哪種形式的裂縫，當(dāng)其寬度和深度超出一定的范圍時(shí)，檁三件的受力性能就要受到影響，且必須采取加固措施。從對故宮部分古建檁三件的勘查分析來看，檁三件裂縫存在較多，大都是以干燥裂縫為主，部分干燥裂縫因外力作用產(chǎn)生擴(kuò)展，因而演變成受力裂縫。裂縫的存在破壞了檁三件的完整性，降低了其強(qiáng)度，同時(shí)也是木腐菌侵蝕木材的主要通道，因此應(yīng)予以控制。此外，裂縫方向與受力方向相同時(shí)，開裂構(gòu)件極容易處于偏壓狀態(tài)，很可能導(dǎo)致檁三件偏心受力并產(chǎn)生側(cè)向歪閃，從而威脅結(jié)構(gòu)整體安全。

圖5 構(gòu)件歪閃

圖6 檁三件裂縫

（6）連接松動(dòng)。主要指檁端出現(xiàn)較嚴(yán)重的錯(cuò)動(dòng)或拔榫問題，見圖7。其中圖7（a）為檁外滾造成的檁頭錯(cuò)動(dòng)，圖7（b）為拔榫造成的檁頭分離。水平外力（如地震、風(fēng)）作用下，大木構(gòu)架容易產(chǎn)生晃動(dòng)。雖然檁端之間的連接為較為牢固的燕尾榫形式，但由于檁端浮擱在梁頭上，缺乏梁頭的約束作用，因而檁發(fā)生橫向滾動(dòng)時(shí)，相鄰檁端部會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)問題。此外，盡管相鄰檁頭之間采取燕尾榫形式連接，但是由于燕尾榫僅能起水平拉接作用，而在豎向無法產(chǎn)生作用，上述不足加劇了檁頭之間的錯(cuò)動(dòng)。而當(dāng)外力作用下檁頭之間錯(cuò)動(dòng)尺寸過大時(shí)，則產(chǎn)生拔榫。另部分榫頭由于屋頂漏水產(chǎn)生糟朽，因而外力作用下，檁頭很容易產(chǎn)生拔榫。檁頭連接松動(dòng)不利于梁架的整體性，并容易誘發(fā)屋面局部下沉或變形問題，因而需要采取加固措施。

圖7 檁頭錯(cuò)動(dòng)

2 原因分析

分析認(rèn)為，故宮木構(gòu)古建檁三件產(chǎn)生殘損的主要原因包括如下4個(gè)方面：

（1）工藝原因。我國古建筑大木結(jié)構(gòu)施工工藝的一個(gè)重要特征是先立架后砌墻。對于部分類型古建筑而言，其后檐墻砌筑時(shí)，有一種封后檐的施工工藝，常見于清式建筑［8］。即砌筑后檐墻體時(shí)，將后檐大木構(gòu)架完全封護(hù)。如圖8所示的故宮某古建筑，其后檐墻一直砌筑到冰盤檐下，冰盤檐上部則是瓦面，后檐檁三件完全被包砌在墻體內(nèi)。這種工藝使得墻體內(nèi)的檁三件缺乏通風(fēng)干燥條件，當(dāng)雨水滲入墻體后，檁三件長期處于潮濕狀態(tài)，因而很容易產(chǎn)生糟朽問題。

圖8 某古建筑的后檐瓦面及墻體

（2）材料原因。檁三件出現(xiàn)典型殘損問題與木材材性有一定關(guān)聯(lián)，表現(xiàn)為：

a.撓度問題的一個(gè)重要的原因在于木材的彈性模量?。磸椥宰冃文芰Υ螅?。這使得檁枋體系截面尺寸較小時(shí)，在外力作用下容易產(chǎn)生彎曲，并導(dǎo)致上部屋面體系下沉，從而威脅屋面結(jié)構(gòu)體系安全。

b.木材材料的強(qiáng)度及彈性模量隨著時(shí)間的增長會(huì)降低，這相當(dāng)于變相增大了外力對檁三件的破壞作用。故宮古建筑建成至今約600年，其承重材料的強(qiáng)度已出現(xiàn)不同程度的退化，這也是檁三件容易出現(xiàn)開裂、糟朽、撓度、拔榫等問題的主要原因之一。

c.木材開裂與木材構(gòu)造密切相關(guān)［9］。木材在構(gòu)造上是一種非均一的有機(jī)體，由于構(gòu)成木材的細(xì)胞形狀、構(gòu)造及排列方式的不一致，形成了其物理、力學(xué)性質(zhì)的不一致性。因此，檁三件在干燥、收縮不均勻的條件下，會(huì)產(chǎn)生開裂問題。

d.木材腐朽的根本原因在于其所處的環(huán)境適于木腐菌生長及繁殖［10］。木腐菌通常以孢子狀態(tài)存在于空氣、土壤或水中。檁三件在潮濕的環(huán)境中時(shí)，當(dāng)孢子接觸木材表面，孢子就開始繁殖，其分泌的酶使木材細(xì)胞壁內(nèi)的纖維素和半纖維素被分解并導(dǎo)致檁三件破壞。

（3）構(gòu)造原因。檁三件的各構(gòu)件在上下向疊合堆放，其優(yōu)點(diǎn)是可形成疊合梁來承擔(dān)屋面?zhèn)鱽淼淖饔昧?，各?gòu)件根據(jù)自身截面尺寸大小分擔(dān)相應(yīng)比例的外力，不僅可滿足承受較大作用力的需求，而且可替代單塊大截面尺寸木料。但這種構(gòu)造也存在一個(gè)問題，即檁-墊板、墊板-枋之間并無相互約束作用，以至在外力作用下，檁、墊板、枋之間可能產(chǎn)生分離，墊板很可能產(chǎn)生歪閃。

此外，檁、墊板、枋的端部搭接構(gòu)造為［11］：檁端部下口按梁端預(yù)留卯口（一般為1/4梁寬，俗稱鼻子榫）尺寸，刻除相應(yīng)截面，再搭扣在梁頭上，相鄰檁端為拉接方便，采取燕尾榫卯方式進(jìn)行連接；墊板兩端刮刨直順光平，直接插入梁側(cè)面，插入深度為梁寬1/4；枋端部做成燕尾榫形式，通過垂直向下方式插入柱頂中，形成較好的連接。需要說明的是，檁、枋的截面尺寸遠(yuǎn)大于墊板，其端部之間的燕尾榫連接（燕尾榫又稱大頭榫、銀錠榫，它的形狀是端部寬、根部窄，與之相應(yīng)的卯口則是里面大、外面小，構(gòu)件安裝后不易出現(xiàn)拔榫現(xiàn)象）比墊板牢固得多（見圖9）。因此檁、枋很少出現(xiàn)歪閃問題。

（4）外力原因。木材開裂的重要原因之一在于外力作用。木材抗剪性能（指材料承受剪切力的能力）差，因而在較小的外力作用下，檁枋體系很容易產(chǎn)生水平剪切裂縫。若不采取及時(shí)有效的加固措施，裂縫會(huì)擴(kuò)展甚至縱向貫通構(gòu)件截面，從而導(dǎo)致檁三件整體體系的受力性能降低。

水平外力（如地震、風(fēng)）作用下，木構(gòu)架產(chǎn)生歪閃，會(huì)導(dǎo)致檁端之間的拉接失效（即拔榫、外滾）或構(gòu)件的歪閃。豎向外力（如屋頂重量、施工荷載）作用下，檁三件會(huì)產(chǎn)生撓度、構(gòu)件分離等問題。

圖9 檁三件安裝構(gòu)造圖（①檁②墊板③枋④梁⑤柱）

3 加固方法

針對故宮古建大木結(jié)構(gòu)的檁三件出現(xiàn)的殘損問題，可采取如下加固方法：

（1）拉接加固。主要用于檁頭拉接松動(dòng)、外滾時(shí)的加固。因檁外滾、松動(dòng)導(dǎo)致檁頭錯(cuò)位時(shí)，可采取扒鋦子拉接加固，見圖10。扒鋦子為鐵質(zhì)材料，長度通常為20 cm～30 cm，厚約1 cm，中間寬約3 cm，兩端做成尖鉤形式，分別釘入相鄰的檁頭內(nèi)。由于鐵件的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于木材，因此扒鋦子拉接檁頭后，可通過對相鄰檁頭的拉接作用，抑制其外滾及拔榫，從而保證了檁頭在梁頭位置的穩(wěn)定性。該加固方法的優(yōu)點(diǎn)為強(qiáng)度高、體積小、安裝方便、加固效果好。扒鋦子拉接檁頭的做法，是故宮古建筑檁頭加固常采用的方法。

圖10 檁頭拉接加固（故宮萃賞樓）

（2）支頂加固。即通過在殘損的檁枋構(gòu)件底部增設(shè)附加支撐的方式來加固構(gòu)件。該法可用于檁枋構(gòu)件開裂及撓度加固。如對于開裂的檁枋構(gòu)件，在開裂位置底部設(shè)置附加支撐，可使開裂位置成為檁枋支座，并使得構(gòu)件計(jì)算長度減小，因而外力作用下，構(gòu)件內(nèi)力及變形大幅度減小，從而達(dá)到加固效果。對于撓度較大大、但小于檁跨度1/100的檁枋構(gòu)件［12］，通過在構(gòu)件底部增設(shè)適當(dāng)數(shù)量的支頂，可降低構(gòu)件跨中撓度和內(nèi)力，提高構(gòu)件的承載性能；亦可在檁的頂端與椽子相交部位填塞木條并墊平，增大檁受力面積，以減小檁所受上部荷載。另如遇到落架大修情況，檁僅存在撓度問題時(shí)，可將其翻個(gè)使用（檁底皮該做檁上皮）。

（3）貼補(bǔ)、化學(xué)加固［2］。對于輕度糟朽的檁三件，可采取貼補(bǔ)方法進(jìn)行修復(fù)，即將糟朽部分剔除，經(jīng)防腐處理后，用干燥木材按所需形狀和尺寸，以耐水膠貼補(bǔ)嚴(yán)實(shí)，再用鐵箍或螺栓緊固。一般而言，如檁上皮糟朽深度不超過直徑的1/5，即可認(rèn)為是可用構(gòu)件；砍凈糟朽部分后，用相同樹種的木料按原尺寸或樣式補(bǔ)牢［9］。當(dāng)糟朽深度很?。? cm～2 cm），通常僅將糟朽部分砍凈處理，不再釘補(bǔ)。對于輕度開裂（裂縫深度不超過檁徑1/4）的檁三件，亦可用干燥木條及耐水性膠粘劑貼補(bǔ)嚴(yán)實(shí)，然后再用鐵箍或玻璃箍箍緊。

檁枋內(nèi)部糟朽面積不超過全截面面積1/3時(shí)，可采用化學(xué)加固法修復(fù)，即首先在檁枋中空兩端鑿孔，用0.5 MPa～0.8 MPa的空壓機(jī)將腐朽的木屑或塵土吹凈，然后灌注環(huán)氧樹脂注劑（重量比為：E-44環(huán)氧樹脂∶多乙烯多胺∶聚酰胺樹脂∶501號(hào)活性稀釋劑=100∶13～16∶30∶1～15），再用玻璃鋼箍箍緊中空部位的兩端。

（4）包裹加固。對于檁枋分離或墊板歪閃問題，可采取包裹加固法。包裹加固法即采用扁鐵或鋼筋將檁三件包裹起來，使之成為一整體，見圖11。由于鐵件對檁三件的約束作用，檁三件各構(gòu)件之間很難發(fā)生相對變形，因而在外力作用下共同受力，類似組合梁（組合梁即幾個(gè)單梁在上下向粘合在一起，就像一根整梁受力），其承載能力要優(yōu)于檁三件形成的純疊合梁（疊合梁即幾個(gè)單梁在上下向疊合在一起，外力由幾根梁分別承擔(dān)）［13］。

（5）CFRP材料在檁三件加固中的應(yīng)用。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）是一種新型材料，主要由高性能纖維、聚酷基、乙烯基等材料構(gòu)成，具有強(qiáng)度高、自重輕、彈性好、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并可加工成CFRP布、CFRP板等形式。CFRP材料可彌補(bǔ)我國木構(gòu)古建采取傳統(tǒng)鐵質(zhì)、木質(zhì)材料加固時(shí)帶來的各種缺陷，并在木構(gòu)古建保護(hù)工程中逐漸得到了深入應(yīng)用［14-17］。

圖11 包裹加固法

CFRP材料加固檁三件時(shí)，即可采取CFRP布包裹方式或CFRP板粘貼方式。采用CFRP布包裹檁三件時(shí)，可利用CFRP布強(qiáng)度高、韌性好的優(yōu)點(diǎn)，對檁三件加固區(qū)域進(jìn)行包裹加固。首先對檁三件破壞區(qū)域進(jìn)行基層平滑處理，若有糟朽部位則采用新料進(jìn)行替換；然后用CFRP布包裹破壞區(qū)域。通過CFRP布提供的核心約束力，抑制檁三件裂縫、變形的發(fā)展。采用CFRP板粘貼加固檁三件時(shí)，可利用CFRP板抗彎、抗剪強(qiáng)度高，以及易裁剪的優(yōu)點(diǎn)，將其粘貼在擬加固部位下方，與檁三件形成一個(gè)類似組合梁的體系［13］。豎向荷載作用下，CFRP板分擔(dān)較大比例的荷載，可有效減小檁三件內(nèi)力，并抑制原有變形及裂縫擴(kuò)展。為避免長期豎向荷載作用下加固體系豎向撓度過大，CFRP板可采取預(yù)張拉形式。后文的實(shí)例分析部分，會(huì)對CFRP材料加固檁三件的工程應(yīng)用開展具體分析。

（6）替換加固。檁三件糟朽尺寸過大，撓度過大或開裂問題嚴(yán)重時(shí)，可采取替換加固法，即用新料來代替舊料以滿足構(gòu)件正常使用要求，見圖12。進(jìn)行替換加固時(shí)，選擇的新料盡量與舊料同一樹種，且尺寸應(yīng)相同。根據(jù)檁三件構(gòu)造特點(diǎn)，檁端為浮放在梁頂，更換時(shí)對結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性影響不大；墊板端部插入梁側(cè)面，且很少出現(xiàn)更換問題；而枋則為插入柱頂中，更換時(shí)應(yīng)對柱子采取有效支頂措施，以避免柱子出現(xiàn)嚴(yán)重歪閃問題。枋歸位后，再吊線調(diào)直柱子。

圖12 故宮武英門東值房前檐檁三件更換

此外，對于易出現(xiàn)糟朽的檁枋構(gòu)件，應(yīng)對替換后的新料采取有效地防腐處理措施。常用的防腐措施為［18］：采取硼酸鹽、有機(jī)脂、防腐油等系列防腐劑，通過噴淋、涂刷、浸泡擴(kuò)散等處理方式進(jìn)入木構(gòu)件內(nèi)部，并盡可能使其均勻分布，以達(dá)到防止木腐菌入侵的目的。

4 實(shí)例分析

故宮中和殿某中金檁斷裂加固。位于故宮前朝太和殿以北的中和殿，是皇帝舉行重大儀式前休息的場所。建筑始建于1420年，期間遭受2次火災(zāi)（1557年、1597年），并歷經(jīng)2次重建，現(xiàn)存木構(gòu)架形式為明朝天啟年間所建。建筑平面呈正方形，面闊、進(jìn)深各3間，外檐軸線間距21 m，建筑總高18 m，攢尖式屋頂，見圖13。2006年、2011年技術(shù)人員兩次對中和殿進(jìn)行了勘查，發(fā)現(xiàn)中和殿明間北面某中金檁存在局部斷裂問題。斷裂位置在中金檁與上部爬梁相交處，折斷方向?yàn)橛杀毕蚰?，由上向下。斷裂截面附近，中金檁北側(cè)沿豎向開裂長度約為0.3 m，下端沿水平向延伸約0.4 m；南側(cè)沿豎向開裂長度為0.08 m，下端沿水平向延伸亦約0.4 m。此外，中金檁斷裂后壓在下面的中金枋上，并導(dǎo)致中金枋撓度明顯，見圖14。該中金檁長6.2 m，直徑0.5 m，下部中金枋的截面尺寸為0.22 m×0.3 m（寬×高）?；谟邢拊侄蔚某醪椒治霰砻鳎?9］：中金檁產(chǎn)生局部斷裂的主要原因?yàn)橹薪饳_在爬梁作用位置截面有效尺寸不足，造成中金檁受力能力不足，以及變形過大而形成；檁-枋分離條件下，中金檁在開裂截面內(nèi)力比檁-枋疊合條件增大，中金檁斷裂破壞要加??；中金檁完全斷裂后，將造成中金枋承受內(nèi)力劇增，并產(chǎn)生不同形式破壞，因而對中金檁采取及時(shí)有效的加固措施極其重要。

圖13 中和殿尺寸示意圖（單位：mm）

圖14 中金檁斷裂圖

經(jīng)專家論證，采取CFRP板加固中和殿開裂中金檁。加固方法具體描述如下：

（1）加固對象：中金檁（兩側(cè)）、中金枋（底部）。

（2）加固材料：預(yù)應(yīng)力CFRP板（中金枋底部、中金檁兩側(cè)用），CFRP布（中金檁兩端包裹用）、配套結(jié)構(gòu)膠、木梁（強(qiáng)化CFRP板與結(jié)構(gòu)膠的粘接效果用）、木楔子（強(qiáng)化CFRP布包裹效果用）。

（3）加固機(jī)理：利用CFRP材料強(qiáng)度高、易裁剪、耐久性好的優(yōu)點(diǎn)加固開裂中金檁。由于中金檁開裂后，本身抗彎、抗剪承載力降低或者失效，使得中金檁上部荷載通過中金檁與其下部中金枋的接觸點(diǎn)直接傳到中金枋上，而中金枋本身截面尺寸不足，很可能造成中金枋產(chǎn)生過大撓度甚至開裂。基于此，在中金枋下部粘貼一層CFRP板，使得CFRP板提供附加抗彎、抗剪承載力。而CFRP板的抗彎、抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)大于中金檁及中金枋，因而CFRP板可起到有效加固效果。另CFRP板經(jīng)過預(yù)應(yīng)力張拉處理，可抵消中金檁枋產(chǎn)生的部分撓度，在一定程度上可保證加固效果。

（4）加固工藝：

第1步：中金枋底部平整處理。由于原有中金枋底部并不平整，并具有一定撓度，因而在采取CFRP板加固時(shí)，需對中金枋底部進(jìn)行基層處理。首先在中金枋底部往上0.03 m左右彈出水平墨線，然后用刨子將墨線以下部分刨平。在此基礎(chǔ)上，把厚約0.03的木板（寬同中金枋）用乳膠粘在中金枋底部，以使得CFRP板有個(gè)平整的粘接面，見圖15（a）。

第2步：中金枋底部粘接CFRP板。采取0.1 m ×0.015 m（寬×厚）CFRP板用配套膠粘貼在上述木板底部，為上部檁、枋提供附加支撐力。這是本加固體系最重要的工序。為避免上部長期荷載產(chǎn)生過大撓度，CFRP板經(jīng)過預(yù)張拉處理。為確保CFRP板與木板表面的充分粘接，采取木枋子+繩子做成類似套箍結(jié)構(gòu)，將CFRP板與上部結(jié)構(gòu)體系臨時(shí)套牢，各套箍間距約為0.5 m，見圖15（b）。

第3步：中金檁側(cè)面粘接CFRP板。將中金檁兩側(cè)下端約0.10 m寬度范圍刨平，然后用同第2步截面尺寸的CFRP板粘貼在上述刨平的表面，見圖15（c）。該步驟的主要目的是通過附加的CFRP板來增強(qiáng)中金檁底部抗彎和抗剪承載力，抑制中金檁下部的縱向裂縫繼續(xù)擴(kuò)展。

第4步：中金枋底部CFRP板底粘接保護(hù)梁。第2步中的套箍體系為臨時(shí)加固體系，僅能保持CFRP板與其上部木板表面短期粘接效果。為保證加固效果的長久性并避免CFRP板因不同原因受到破壞，在中金枋下部的CFRP板的底部，再次用乳膠粘接0.1 m厚（長、寬均同中金枋）的木梁，見圖15（d）。該木梁主要對CFRP板起保護(hù)作用，其撓度亦小于CFRP板，有利于提高CFRP板粘接效果。

第5步：中金檁端部釘木楔子。為提高中金檁兩側(cè)CFRP板與基層的粘接力，在CFRP板外側(cè)釘木楔子。木楔子下部固定在中金枋側(cè)面，上部做成斜面形式，擠壓CFRP板，見圖15（e）。

第6步：CFRP布包裹木楔子及底部木梁。為提高加固材料與原有中金檁、枋的整體性能，在中金檁、枋端部，包裹2道0.1 m寬CFRP布，相互間距0.3 m。CFRP布包裹底部木梁、側(cè)面木楔子、上部中金檁，見圖15（f）。這使得木楔子-側(cè)向CFRP板-中金檁、底部木梁-底部CFRP板-中金枋之間的擠壓作用更明顯，亦更有利于各CFRP板與基層表面的粘接。

圖15 CFRP板加固中金檁步驟

上述加固措施于2014年年底實(shí)施，并采取了監(jiān)測措施，至今尚未發(fā)現(xiàn)任何問題。

5 結(jié) 論

（1）故宮古建大木結(jié)構(gòu)檁三件的典型殘損問題包括：糟朽、撓度、開裂、構(gòu)件分離、墊板歪閃、連接松動(dòng)等。

（2）檁三件產(chǎn)生上述殘損問題的原因與古建大木施工工藝、木材材性、檁三件構(gòu)造特征、外力作用等因素密切相關(guān)。

（3）基于檁三件不同的殘損問題，相應(yīng)的加固方法包括鐵件或CFRP材料包裹、貼補(bǔ)，鐵件拉接、支頂，化學(xué)加固法，替換法等。

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Typical Structural Health Problems of Purlin Components of Ancient Buildings in the Forbidden City

ZHOU Qian1，2，YANG Na2
（1.Palace Museum，Beijing 100009，China；2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China）

According to constitution characters and bearing performances of these purlin components，their typical structural health problems were summarized，causes for the problems are discussed，and strengthening advices based on analysis examples are proposed.Finally，engineering example of CFRP strengthened purlin components of Zhonghe Palace are further discussed，which verifies the strengthening methods.Results show that typical structural health problems of these purlin components include rot，crack，vertical deflection，disengage of parts，lateral deflection of middle board，slack of connection between purlin ends and so on；main causes for these problems relate not only to constitution，construction process as well as bearing performances of purlin components，but also material properties of wood；besides effectively strengthening methods for these purlin components include iron connection，additional support，wrap by iron or CFRP，piece up by iron or CFRP，chemical reinforcement，replacement and so on.

Chinese ancient wooden building；purlin components；structural health problem；the Forbidden City

TU366.2

A

1672—1144（2016）05—0061—09

10.3969/j.issn.1672-1144.2016.05.012

2016－06－01

2016－08－20

國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項(xiàng)目（51422801）；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51178028）；北京自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（8151003）

周 乾（1975—），男，湖南株洲人，博士后，副研究員，主要從事文物建筑抗震加固與振動(dòng)控制方面的工作。E－mail：qianzhou627@126.com。