徽州傳統(tǒng)建筑木梁修繕方法及其數(shù)值分析

楊 健，孫 強，于鑫鑫

(安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601)

徽州傳統(tǒng)建筑擁有深厚的文化內(nèi)涵和鮮明的地方特征，古村落民居作為“徽州三絕”之一，在中國傳統(tǒng)民居風格中更是獨樹一幟。國內(nèi)外專家和學者對古建筑木結(jié)構(gòu)進行了相關(guān)研究。謝啟芳[1]通過對矩形木梁的靜力試驗，對碳纖維布加固木梁的抗彎性能,包括破壞特征及撓度等性能進行了研究。宋曉濱等[2]進行了帶縱縫木梁足尺試件彎曲加載試驗，驗證木梁縱縫長度和位置等參數(shù)對木梁承載力都會產(chǎn)生影響。李愛群等[3]針對木結(jié)構(gòu)中裂縫、糟朽、拔榫滾動等典型損傷形式，分類綜述中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)修復加固技術(shù)類型。

近年來,現(xiàn)代技術(shù)廣泛應用于古建筑木結(jié)構(gòu)的修繕加固。張風亮等[4]基于CFRP加固木結(jié)構(gòu)殘損節(jié)點的加固方式及破壞形態(tài)，對碳纖維布加固殘損節(jié)點的受力性能進行分析，提出碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)殘損節(jié)點的抗彎承載力計算公式。王懿鑫[5]對BFRP布加固足尺寸圓截面木梁抗彎性能進行研究，驗證在原木梁受拉區(qū)粘貼BFRP可以有效地提高原木梁的極限承載力與變形能力。文獻[6-7]中木梁內(nèi)部由于蛀蟲啃食，修繕時很難確定損傷位置，可以利用現(xiàn)代化檢測儀器(如超聲波)對木梁進行無損檢測，待確定位置后進行化學加固方法修復。

綜合文獻研究內(nèi)容可以看出，對徽州傳統(tǒng)建筑木梁的修繕方法研究卻很少提及。環(huán)境因素以及人為破壞等原因使得木梁產(chǎn)生不同程度的裂縫、糟朽破壞以及撓度變形等問題，通過對木梁常見修繕方法進行研究，并進行理論計算與數(shù)值分析結(jié)果對比，得出較為可靠的結(jié)論，為今后徽州傳統(tǒng)建筑木梁的加固提供理論基礎和技術(shù)參考。

1 徽州傳統(tǒng)建筑木梁修繕方法

徽州傳統(tǒng)建筑木構(gòu)架的損壞形式主要包括木柱柱根和梁枋糟朽、脫榫現(xiàn)象、檁條彎垂、梁撓度變形、木構(gòu)架整體傾斜等情況。究其原因主要是潮濕環(huán)境、蟲蟻侵蝕、雨水侵害、年久失修以及人為破壞等。對于木構(gòu)架重要組成部分的木梁來說，主要有以下3種常見損壞形式及其修繕方法。

1.1 木梁梁身裂縫修繕

木梁出現(xiàn)干縮裂縫或劈裂裂縫時，根據(jù)裂縫尺寸大小進行處理：

1)當木梁的水平裂縫深度(當有對面裂縫時，用兩者之和)小于梁寬或梁直徑的1/4時，宜采取嵌補新木條的方法進行修繕，必要時再用鐵箍箍緊，鐵箍間距不宜超過500 mm；

2)若構(gòu)件的裂縫深度超過上述限值，則應對木梁進行承載能力驗算。若驗算結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)承載力要求，則仍可以采用方法1)進行修繕；若驗算結(jié)果不滿足結(jié)構(gòu)承載力要求時，可在木梁內(nèi)埋入型鋼或其他構(gòu)件；當不能埋入其他構(gòu)件時，應按照原樣式更換木梁，新梁制作方法參照省級工法《徽州傳統(tǒng)建筑木梁柱制作安裝施工工法》[8 ]。

1.2 木梁梁身局部糟朽修繕

木梁表面局部出現(xiàn)腐朽，對不影響木構(gòu)件受力且剩余截面的承載力滿足規(guī)范中承載力要求，在確保安全的情況下可以進行局部剜補新木的方法；當不滿足相關(guān)承載力的要求時，可以采用內(nèi)置鋼板或鋼筋等加固方法；如果腐朽面積較大且嚴重，深及木梁內(nèi)部且影響承重或承重部位長期受壓產(chǎn)生劈裂或環(huán)裂破壞時，則應考慮更換木梁。

1.3 木梁內(nèi)部糟朽修繕

對于一些梁內(nèi)部已經(jīng)糟朽嚴重，但其表面彩繪和精美的雕刻，為了最大限度地傳承其展現(xiàn)出的文化信息及其存在的文物價值，在修復過程中可以將梁內(nèi)部糟朽部位和相應的構(gòu)件表面一并掏空，在內(nèi)部采用植芯新木的方法進行修繕加固。

2 徽州傳統(tǒng)建筑木梁有限元分析

2.1 木材本構(gòu)關(guān)系

在進行木結(jié)構(gòu)的抗壓結(jié)構(gòu)理論分析中，為了方便計算，木材順紋本構(gòu)關(guān)系簡化為：應變在0～εL1的范圍內(nèi)，木材處于彈性階段；應變在εL1～εL2范圍內(nèi)，木材處于塑性階段；應變在εL1～εn范圍內(nèi)，木材的線應變處于弱化階段；應變在ε>εn的范圍內(nèi)，木材處于強化階段。它的本構(gòu)關(guān)系見式(1)。

(1)

式中：p1(ε)=(ε-a);p2(ε)=(ε-a)2-b；ET=(σn-σL)/(εn-εL2)。

木材在橫紋受壓時，其橫紋本構(gòu)關(guān)系簡化為：應變在0～εL范圍內(nèi)，木材處于線彈性階段；應變在εL～ε范圍內(nèi)，木材的線應變處于弱化階段；應變在ε>εn范圍內(nèi)，木材處于強化階段。它的本構(gòu)關(guān)系見式(2)。

σ=EL·ε,0<ε<εL，

σ=σL+EL(ε-εL),εL<ε<εn，

(2)

σ=c0+c1p1(ε)+c2p2(ε)+c3p3(ε),ε>εn.

式中：p1(ε)=(ε-a);p2(ε)=(ε-a)2-b；p3(ε)=(ε-a)2-b2(ε-a)；ER=(σn-σL)/(εn-εL)。其中，EL為木材的彈性模量，MPa；ET為木材的切線模量，MPa；σL為木材初始彈性階段應力，MPa。

2.2 有限元模型建立

本文研究對象是安徽建筑大學結(jié)構(gòu)大廳中從黃山整體搬遷過來的1棟徽州古民居建筑中堂的1根木梁(見圖1)。該木梁截面長邊略有弧度，由于總體近似于矩形，為了簡化計算，計算模型采用矩形截面，截面長邊稍許弧度忽略不計，木梁的長為4 400 mm，截面尺寸為240 mm×400 mm(寬×高)，鐵箍厚度5 mm，寬度50 mm。根據(jù)徽州傳統(tǒng)建筑木梁的實際糟朽情況建模，并利用ANSYS進行加固前、后的數(shù)值分析。

關(guān)于材料單元選取，ANSYS中木梁選取實體單元SOLID45，鐵箍采用SOLID187，在模擬榫卯連接時采用半剛性特點時，需用接觸單元來分析，以TARGE170單元作為目標面，CONTA174單元為接觸面，采用面面接觸，程序通過相同的實常數(shù)號來識別接觸對，兩者之間的摩擦系數(shù)為0.5[9]。具體參數(shù)如表1所示。

表1 杉木性能參數(shù)

注：表中的R，L，T分別表示木材的徑向、縱向、弦向，木材選用徽州當?shù)厣寄荆F箍的參數(shù)E=206 GPa，μ=0.3，ρ=7 800 kg/m3。

2.3 結(jié)構(gòu)計算工況

1)工況一(木梁梁身裂縫)：梁身出現(xiàn)裂縫情況如圖2所示，裂縫取長方形體，前后裂縫對稱且裂縫處尺寸具體每處3 000 mm×90 mm×40 mm(長×寬×高)，裂縫的截面底邊距離木梁底面為180 mm，梁身裂縫嵌補修繕如圖3所示。

圖2 木梁梁身裂縫

圖3 梁身裂縫嵌補修繕

2)工況二(木梁梁身局部糟朽)：木梁梁身中間部位受損情況如圖4所示，糟朽部位最深處200 mm，長度1 200 mm，正中截面去除糟朽部位后近似于200 mm×240 mm(高×寬)的矩形，為了便于分析剩余截面，按照矩形進行計算，木梁局部剜補修繕如圖5所示。

圖4 梁身局部糟朽

圖5 梁身局部剜補修繕

3) 工況三(木梁內(nèi)部糟朽)：木梁內(nèi)部受損嚴重，髓芯糟朽情況如圖6所示，木梁內(nèi)部糟朽部位近似于一個4 200 mm×180 mm×340 mm(長×寬×高)的長方體，糟朽部位到木梁外殼外表面30 mm，木梁內(nèi)部新木植芯修繕如圖7所示。

圖6 梁身內(nèi)部糟朽

2.4 木梁加固前、加固后理論計算與數(shù)值分析對比

運用ANSYS對3種工況下的木梁加固前與加固后進行數(shù)值分析，可得出木梁的位移、剪應力和應力的云圖，為驗證木梁的抗彎強度是否滿足規(guī)范安全指標，根據(jù)規(guī)范需要得出受彎強度的數(shù)值[10 ]。即需要利用有限元計算出的應力先求出彎矩，再計算受彎承載力。

圖7 梁身內(nèi)部植芯修繕

M=∑σiAili.

(3)

式中：σi為木梁單元形心所對應的法向應力；Ai為單元表面面積；li為單元形心到截面距離；M為彎矩值。

根據(jù)規(guī)范標準，求出木梁修繕加固前、后的抗彎承載力、抗剪承載力與撓度值理論計算數(shù)值。各工況下木梁加固前與加固后理論計算結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果見表2、表3和表4。

表2 工況一加固前、后理論計算與數(shù)值分析結(jié)果

表3 工況二加固前、后理論計算與數(shù)值分析結(jié)果

表4 工況三加固前、后理論計算與數(shù)值分析結(jié)果

根據(jù)上述3種工況下木梁在加固前、加固后理論計算結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果進行對比與分析，歸納如下：

1)工況一木梁梁身出現(xiàn)裂縫的情況下，造成木梁裂縫處剪應力變大，其數(shù)值接近抗剪強度設計值，因此，需要進行嵌補新木并用兩道鐵箍加固，其數(shù)值分析結(jié)果也可以輔助證明。

2)工況二木梁出現(xiàn)局部糟朽的情況下，由于糟朽部位處于木梁中部，造成木梁抗彎承載力以及撓度不滿足規(guī)范要求，因此，需要進行剜補新木加固。綜合加固前后的數(shù)據(jù)來看,修繕后能夠大幅度減小木梁撓度，從而提高木梁的整體安全性。

3)工況三木梁內(nèi)部糟朽破壞的情況下，木梁髓心糟朽破壞部分剪切應力較大，不滿足規(guī)范標準要求，需要進行植芯加固，從數(shù)值計算結(jié)果也可以得到驗證。

4)上述3種工況的理論計算和數(shù)值分析的數(shù)值之間存在一定誤差，但是對在修繕加固前木梁是否滿足承載力要求的判斷并不產(chǎn)生影響，兩者均證明運用本文的修繕加固方法后對木梁的承載力有了極大改善。

3 結(jié) 論

本文在查閱文獻資料的基礎上，再到徽州地區(qū)進行實地調(diào)研,對徽州傳統(tǒng)建筑木構(gòu)架中木梁常見破損形式及其修繕加固方法進行了研究，得到以下結(jié)論：

1)歸納徽州傳統(tǒng)建筑中木梁常見的損傷形式及其修繕方法，可以采用裂縫嵌補、局部剜補、植芯加固等方法對木梁進行修繕加固。通過對木梁進行抗彎承載力驗算、抗剪承載力驗算和撓度驗算，以此判斷木梁是否滿足承載能力要求和正常使用要求。

2)采用有限元分析軟件對木梁破損情況進行數(shù)值分析，通過結(jié)果對比分析，驗證3種工況下木梁均不能滿足承載力要求，進而需要對木梁進行相對應的修繕加固，對于加固后的木梁，其承載能力均滿足要求。

3)通過對比3種工況下木梁破損情況的理論計算和數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)其抗彎強度、抗剪強度和撓度值雖然存在一定差距，但是在是否滿足規(guī)范的結(jié)果上是一致的，從而驗證采用理論計算和數(shù)值分析的方法都可對木梁的承載力和撓度進行驗算，并且證明本文所總結(jié)的徽州傳統(tǒng)建筑木梁修繕加固方法的可行性。

同時本文針對研究內(nèi)容提供后續(xù)研究展望：

1)本文只對木梁梁身裂縫、局部糟朽、髓心糟朽3種破損情況進行研究，并且損壞部位選取都是典型，對于不同缺損部位、缺損深度以及其他修復方法有待進一步研究。

2)古建筑木結(jié)構(gòu)木梁的加固修繕可以和BIM軟件進一步結(jié)合起來，更方便直觀地了解木梁修繕過程中的具體操作和遇到的難點問題。