古建筑木結(jié)構(gòu)的木柱加固技術(shù)研究綜述

侯玉嶺 趙慶雙

（聊城大學(xué)建筑工程學(xué)院，山東 聊城 252000）

0 前言

現(xiàn)存的古建筑木結(jié)構(gòu)大多經(jīng)歷了數(shù)百年的歷史，是我國(guó)寶貴的遺產(chǎn)，正是由于歷史悠久，古建筑出現(xiàn)了不同程度的殘損。木柱是主要承擔(dān)結(jié)構(gòu)豎向荷載的構(gòu)件，但是柱身出現(xiàn)不同程度的糟朽、開裂，減小了柱子的有效截面，降低了承載能力，極易出現(xiàn)柱子折斷或歪閃的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)局部失穩(wěn)的情況，對(duì)古建筑造成不可逆轉(zhuǎn)的損失，因此選用適宜性的加固技術(shù)對(duì)古建筑進(jìn)行修繕保護(hù)工作有重大意義。

針對(duì)不同的殘損情況，木柱傳統(tǒng)的加固方法主要是采用鐵釘、螺栓、鐵箍、鋼筋、附加梁板、附加斷面進(jìn)行加固【1】，近幾年由于科技發(fā)展纖維增強(qiáng)復(fù)合材料被應(yīng)用到木結(jié)構(gòu)加固中來(lái)，但是無(wú)論何種加固方法都應(yīng)盡可能地保留建筑物的原貌，做到“修舊如舊”。我國(guó)的研究學(xué)者進(jìn)行了大量的加固試驗(yàn)，從加固柱的抗彎、抗剪性能、極限承載能力、應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系、彎矩一曲率關(guān)系、徐變特性、疲勞性能以及抗震性能等方面不斷探索木結(jié)構(gòu)的加固方法，并得到了大量的研究成果，但是仍然有不足之處需要完善。

綜上所述，本文以木結(jié)構(gòu)的柱為對(duì)象，闡述主要的加固技術(shù)，并分析加固技術(shù)的適宜性，從而對(duì)加固技術(shù)進(jìn)行完善改進(jìn)，以期更好地對(duì)古建筑進(jìn)行修復(fù)保護(hù)。因此對(duì)既有的木結(jié)構(gòu)古建筑加固，合理選擇可靠高效的加固方法對(duì)保護(hù)古建筑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 不同加固材料的加固技術(shù)

古建筑木結(jié)構(gòu)的柱的殘損會(huì)導(dǎo)致承載能力與穩(wěn)定性有所降低，甚至發(fā)生倒塌，因此對(duì)木柱進(jìn)行修復(fù)加固是保護(hù)古建筑的主要手段，隨著技術(shù)的發(fā)展，鋼構(gòu)件、復(fù)合纖維增強(qiáng)材料逐漸運(yùn)用到木結(jié)構(gòu)的加固工作中，我國(guó)研究人員運(yùn)用不同的加固材料對(duì)木柱進(jìn)行了大量的加固試驗(yàn)，取得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為古建筑的保護(hù)工作提供了依據(jù)。

1.1 FRP 加固木結(jié)構(gòu)柱

FRP 材料有比強(qiáng)度高、比模量大、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、耐久性能好等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越廣泛地被運(yùn)用到木結(jié)構(gòu)柱的加固中來(lái)。近年來(lái)，我國(guó)研究人員進(jìn)行了大量的FRP 材料加固木柱的試驗(yàn)，取得了重大的研究成果。

大多針對(duì)FRP 加固的木柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)來(lái)研究，邵勁松等人分別對(duì)15根環(huán)向、橫向FRP 加固的木柱用液壓試驗(yàn)機(jī)采用分級(jí)加載和連續(xù)加載相結(jié)合的方式進(jìn)行了軸心抗壓試驗(yàn)，討論了試件受載后的工作機(jī)理和破壞模式，分析了FRP 的層數(shù)和類型對(duì)其承載力和峰值應(yīng)變的影響，得出了無(wú)論是環(huán)向、橫向FRP 加固木柱都可以有效約束木纖維的彎曲變形，從而提高了抗壓承載力，改善了木柱的延性【2-3】。朱艷梅、王清遠(yuǎn)、董江峰、何東通過 對(duì)14 根短圓木柱試件進(jìn)行試驗(yàn)，研究了CFRP、BFRP、AFRP 分別在全包、半包、間隔包裹的加固方式下，加固層數(shù)對(duì)木柱性能的影響，表明通過FRP 加固木柱可以改善其受力性能，承載力、剛度和延性有所提高【4】。周乾、閆維明、慕晨曦、楊慧對(duì)6 個(gè)CFRP 包鑲加固的木柱柱根模型進(jìn)行了靜力加載試驗(yàn)，獲得了木柱加固前后的軸壓受力性能等數(shù)據(jù)，分析了包鑲層數(shù)對(duì)加固效果的影響，得出在包鑲加固層數(shù)為3 時(shí)，加固效果最顯著，但加固后的木柱承載力略低于完好木柱【5】。周乾、楊娜、閆維明制作了6 根1:2 的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)其中5 根采用CFRP 墩接加固柱根，進(jìn)行了豎向軸壓靜力加載試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果討論了加固柱的軸壓受力機(jī)理，顯示了CFRP 材料具有較好的加固效果【6】。何黎陽(yáng)、劉清等人 用15 根BFRP 布加固的圓柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，研究了粘貼層數(shù)和粘貼方式對(duì)加固效果的影響，還與形同試驗(yàn)條件下的方柱進(jìn)行對(duì)比分析，得出加固后的圓柱的承載力有所提高，且具有一定延性，加固效果顯著并優(yōu)于方柱加固【7】?；羧瘥悾瑒c等對(duì)圓形截面短柱采用8 字型和縱橫交叉兩種纏繞方法粘貼CFRP 布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，得出通過CFRP 布加固約束可以提高結(jié)構(gòu)的延性，且縱橫交叉型纏繞方法能大幅度提高構(gòu)件的極限承載力，還能在軸向應(yīng)變?cè)黾佑邢薜那闆r下有效地約束橫向變形【8】。

由此可見，新型加固材料的運(yùn)用可以提供給我們更多形式的選擇，我國(guó)研究學(xué)者對(duì)不同F(xiàn)RP 加固方式的木結(jié)構(gòu)柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)，具體分析了加固木柱的力學(xué)性能，得出加固木柱的極限承載能力都有所提高，且具有較好的延性，顯示出FRP 加固木柱可以起到一定的加固效果。

1.2 復(fù)合加固木結(jié)構(gòu)柱

鋼材、附加木構(gòu)件、和FRP 被廣泛運(yùn)用到木結(jié)構(gòu)的加固中來(lái)，以往的試驗(yàn)大都研究一種加固材料對(duì)構(gòu)件的加固，有研究學(xué)者將加固材料混合使用對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合加固，通過試驗(yàn)得出兩種材料和木材可以協(xié)同工作，取得了重要的成果，因此復(fù)合加固有望成為新的加固思路。

阿斯哈、周長(zhǎng)東、楊禮贛創(chuàng)新性地采用內(nèi)嵌鋼筋外包CFRP 布進(jìn)行復(fù)合加固，并制作了42 根復(fù)合加固木柱進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)，結(jié)果表明通過復(fù)合加固木柱，構(gòu)件的受壓承載力能夠提高且可以改善木柱的延性，試驗(yàn)結(jié)果表明木材與CFRP 布和鋼筋三者能夠協(xié)調(diào)變形、共同工作，驗(yàn)證了復(fù)合加固方式的可靠性；還將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到了復(fù)合加固木柱軸心受壓峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變的計(jì)算公式【9】。韓笑東、趙越等人對(duì)7 根以內(nèi)嵌鋼筋外包碳纖維布復(fù)合加固的方形木柱進(jìn)行加固試驗(yàn)，考慮嵌筋數(shù)量和受壓偏心距兩種因素對(duì)偏心荷載下的受壓承載力以及結(jié)構(gòu)延性的影響，發(fā)現(xiàn)加固后的木柱主要在纖維布之間的間隔段發(fā)生破壞，且隨在一定范圍內(nèi)著偏心距的增大，木柱的承載力顯著下降,但延性系數(shù)變化不大【10】。楊勇、陳展、王香云、薛建陽(yáng)提出了采用預(yù)應(yīng)力鋼帶加固既有裂損木柱的技術(shù)，并制作了6 個(gè)加固木柱進(jìn)行軸心受壓試驗(yàn)，通過對(duì)各試件的破壞形態(tài)、承載能力、剛度和延性等數(shù)據(jù)研究鋼帶間距和層數(shù)對(duì)試件受力性能的影響，表明通過預(yù)應(yīng)力鋼帶加固木柱可以有效提高木柱的承載力；同時(shí)也可以反映出，預(yù)應(yīng)力鋼帶和木材可以協(xié)同工作。

上述研究將FRP 材料和鋼材二者共同使用，通過試驗(yàn)證明了這種加固方式確實(shí)可以提高構(gòu)件的抗壓承載力，并增加了結(jié)構(gòu)的延性，復(fù)合加固的技術(shù)為古建筑木結(jié)構(gòu)的修復(fù)與保護(hù)工作提供了新思路。

2 影響加固效果的因素

在對(duì)加固木柱進(jìn)行軸壓試驗(yàn)時(shí)需要綜合考慮影響因素，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，以下分析了在試驗(yàn)中對(duì)加固效果產(chǎn)生影響的一些因素，以便在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)可以減小誤差，得到準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為古建筑加固保護(hù)工作提供數(shù)據(jù)。

木柱在整體結(jié)構(gòu)中主要是軸心受壓或偏心受壓的構(gòu)件，二者在發(fā)生力學(xué)破壞時(shí)的力學(xué)狀態(tài)不同，因此在試驗(yàn)之初一定要明確具體工況，確定試驗(yàn)條件。在使用FRP 進(jìn)行加固時(shí)應(yīng)確定變量，因?yàn)槟局诎l(fā)生軸壓破壞時(shí)，加固效果受纏繞方式、加固位置、加固量的影響較大，由上述試驗(yàn)結(jié)果我們可以看出：在其他條件變不變，唯一變量條件下，全包的加固效果優(yōu)于半包方式，半包方式優(yōu)于間隔包裹方式；在柱頂與柱腳的位置容易發(fā)生木纖維的錯(cuò)動(dòng)，造成破壞，因此需要進(jìn)行加密加固補(bǔ)強(qiáng)；在一定范圍內(nèi)，隨著加固量的增加，加固效果越加顯著。其次試件的制作也會(huì)對(duì)加固效果產(chǎn)生影響，在進(jìn)行加固施工時(shí)，F(xiàn)RP 材料和木材之間主要通過粘接劑進(jìn)行連接，粘接劑是否合理使用并正常工作將直接關(guān)乎加固材料是否起到約束作用，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，因此施工技術(shù)也是重要的影響因素。柱子的形狀也會(huì)對(duì)加固效果產(chǎn)生影響，我國(guó)古建筑木結(jié)構(gòu)中的柱子主要是圓形和矩形截面，F(xiàn)RP 材料加固圓形截面的柱子時(shí)，約束效應(yīng)延曲面柱呈均勻分布；而FRP 材料在加固矩形截面柱時(shí)，由于角部效應(yīng)的存在，約束效應(yīng)呈不均勻分布。但是無(wú)論是圓形截面還是矩形截面的木柱，當(dāng)縱向應(yīng)力達(dá)到木柱的三向受壓應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，加固木柱達(dá)到極限承載力發(fā)生破壞。

3 結(jié)論

古建筑的加固要求修復(fù)后盡量不能破壞原有建筑的原貌，且經(jīng)過加固后必須符合現(xiàn)行規(guī)范，不可造成二次破壞，這就要求我們根據(jù)現(xiàn)存木結(jié)構(gòu)的殘損狀況選擇適宜的加固技術(shù)。近幾年的研究發(fā)現(xiàn)通過傳統(tǒng)的鋼件或附加木構(gòu)件加固可以起到一定效果，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料開始廣泛運(yùn)用到木結(jié)構(gòu)加固中來(lái)，對(duì)于加固柱構(gòu)件的加固效果，主要考慮了抗壓承載力、延性，并分析了影響加固的因素；對(duì)于將柱子具體的殘損狀況進(jìn)行定性定量分類，從而研究加固效果的試驗(yàn)相對(duì)較少。

目前的研究大多討論了單一加固材料的應(yīng)用，但是為了更好地保護(hù)古建筑，將多種加固材料組合使用的復(fù)合加固形式研究較少，首要考慮的就是各加固材料能否協(xié)調(diào)變形共同工作，此外還應(yīng)在相應(yīng)的工程情況下定量分析何種加固方式才能起到最佳加固效果，因此對(duì)于此類加固方式的研究有待發(fā)展。