異地遷建木結(jié)構(gòu)古建筑抗震加固技術(shù)研究

王 卓 徐大為 鄔荒耘

上海建工五建集團(tuán)有限公司 上海 200063

古建筑作為我國(guó)歷史建筑文化的重要組成部分，對(duì)于各時(shí)期各民族而言具有重要的地位。其中，作為中國(guó)古建筑的主要結(jié)構(gòu)體系——木結(jié)構(gòu)，在一些古老的公共、民用建筑中十分常見(jiàn)。而現(xiàn)存的古建筑，由于建造年代久遠(yuǎn)，在歷史的傳承中受到了各種因素的破壞，再加上多年來(lái)的保護(hù)不當(dāng)、年久失修，導(dǎo)致現(xiàn)存古建筑木結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)處于待修繕和保護(hù)狀態(tài)，所以對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)遷建改造技術(shù)的研究也是古建筑木結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化保護(hù)的熱點(diǎn)課題[1]。

由于古建筑木結(jié)構(gòu)柱本身抗彎強(qiáng)度較低，且下端主要采用鉸接，整體側(cè)向剛度較小，所以對(duì)于木結(jié)構(gòu)的抗震加固，既是現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，也是古建筑木結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化改造和發(fā)展中亟待解決的問(wèn)題。本文采用一種提高木結(jié)構(gòu)抗震性能的鋼骨架加固方法，并通過(guò)計(jì)算驗(yàn)證了此方法的正確性，可為后續(xù)古建筑木結(jié)構(gòu)工程的抗震加固提供參考。

1 古宅遷建概況

本項(xiàng)目的26棟新建古宅主體為穿斗式木結(jié)構(gòu)，山墻為磚混結(jié)構(gòu)，設(shè)有1層地下室。地上1層，建筑高度6.1 m，單個(gè)古宅面積約26.4 m×19.4 m。通過(guò)異地重建為相互獨(dú)立的院落，并根據(jù)功能使用需求，增設(shè)了一些輔助功能用房。古宅采用原修建于明-清代的磚、木、瓦結(jié)構(gòu)民宅拆除下來(lái)的古建筑材料，為原貌移建并改良設(shè)計(jì)建造于該地塊內(nèi)的古建筑[2]。

但并非所有材料都是原生的古建材料，主要是部分木框架和墻體砌筑所用的砌塊，以及一些古建筑標(biāo)志性的構(gòu)件，如大門上的各種藝術(shù)雕刻，木結(jié)構(gòu)主要依靠后期的加工和還原。古宅院落如圖1、圖2所示。

圖1 古宅木結(jié)構(gòu)拼裝完成

圖2 古宅院落竣工實(shí)景

古建筑木結(jié)構(gòu)的遷建改造重難點(diǎn)在于原貌移建還原施工全過(guò)程管理以及利用現(xiàn)代建造方法、新材料技術(shù)進(jìn)行加固改造，以滿足建筑的安全性、適用性和耐久性功能要求。古建筑木結(jié)構(gòu)的遷建改造施工過(guò)程主要有：拆除工程、構(gòu)件運(yùn)輸、構(gòu)件修整、預(yù)拼裝、拼裝施工、加固及改造工程、裝飾工程、屋面工程施工，如圖3所示。整個(gè)施工過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)控制尤為重要，將新型建材應(yīng)用到徽派建筑中以及運(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)的施工技術(shù)，基于徽派建筑的發(fā)展以及其當(dāng)代價(jià)值體系，使得徽派建筑適應(yīng)時(shí)代發(fā)展、契合現(xiàn)代建筑使用功能，將古建筑美學(xué)與當(dāng)代的建筑實(shí)用性完美結(jié)合。

圖3 構(gòu)件拆除、修整、拼裝

傳統(tǒng)徽派建筑以磚混結(jié)構(gòu)和木結(jié)構(gòu)為主，本項(xiàng)目采用部分新型鋼框架外掛石材或木材的復(fù)合墻體，在保持建筑風(fēng)格的同時(shí)滿足現(xiàn)代化功能需求。新型防水涂料、卷材等以其優(yōu)異的施工便捷性、節(jié)能環(huán)保、力學(xué)性能、耐老化以及抗?jié)B透性能在本項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用，給古宅屋面、地面等防水工程提供了解決方案。新建客房墻體基層為鋼架，在室內(nèi)外溫差作用下，易使室內(nèi)結(jié)露、受潮，導(dǎo)致室內(nèi)木飾面受潮發(fā)黑，為解決此問(wèn)題，采取了增加泡沫玻璃材料的保溫技術(shù)措施。

采用現(xiàn)代化建造技術(shù)措施，科學(xué)布置自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，管路隱藏于屋面隔層中，通過(guò)梁底開(kāi)設(shè)小孔留出噴淋頭；屋頂采用避雷短針加暗敷避雷帶的防雷系統(tǒng)，避雷帶設(shè)置在屋頂構(gòu)造里，通過(guò)計(jì)算露出少量的避雷短針，不改變古建筑的原貌；采用鋼木組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同的組合形式，可以滿足各種功能布局的需求，解決了木結(jié)構(gòu)在使用空間上的局限問(wèn)題，如圖4所示。

圖4 鋼木組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用

2 古建筑木結(jié)構(gòu)抗震加固技術(shù)研究

2.1 木結(jié)構(gòu)加固概述

目前，古建筑木結(jié)構(gòu)加固研究主要在于木構(gòu)件本身以及節(jié)點(diǎn)加固，一方面采用鋼木等組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行原木構(gòu)件的修繕和替換；另一方面采用傳統(tǒng)的加固方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，如外包鋼板、增大截面、增設(shè)支點(diǎn)以及碳纖維布粘貼加固等方法。此類方法主要在提高古建筑木結(jié)構(gòu)的承載力和安全性能方面有著明顯的作用，但對(duì)于結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性以及抗震性能貢獻(xiàn)較小。因此研究一種利于結(jié)構(gòu)整體的抗震加固方法十分有必要。

2.2 鋼骨架抗震加固技術(shù)

通過(guò)對(duì)本項(xiàng)目中古宅院落木結(jié)構(gòu)的受力分析和研究，針對(duì)原木結(jié)構(gòu)抗震性能不符合要求的問(wèn)題，采用了一種受力合理、施工便捷、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、能保證古建筑風(fēng)貌的隱藏鋼骨架加固方法。鋼骨架整體結(jié)構(gòu)平面如圖5所示。

圖5 鋼骨架加固整體示意

2.2.1 主要技術(shù)方案

加固鋼骨架設(shè)置在木結(jié)構(gòu)的山墻位置，采用鋼框架結(jié)構(gòu)形式，框架柱底部與基礎(chǔ)可靠剛接，通過(guò)短柱與木結(jié)構(gòu)連接成整體受力，形成加固體系。該方法提高了木結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性，同時(shí)鋼骨架隱藏在山墻之中，不會(huì)改變古建筑原有的風(fēng)貌。

鋼骨架與一榀木框架平行布置，鋼骨架為由鋼材組合而成的框架結(jié)構(gòu)形式，包括框架柱、低橫梁、邊橫梁、中間橫梁以及與木結(jié)構(gòu)連接的短柱。每榀鋼骨架組成相同，但是柱距和梁長(zhǎng)根據(jù)木結(jié)構(gòu)的形式可能有所不同。框架柱、低橫梁、邊橫梁、中間橫梁通過(guò)可靠連接組成鋼骨架后，柱下端均與基礎(chǔ)連接牢固，通過(guò)鋼短柱與木結(jié)構(gòu)可靠連接形成整體。鋼骨架中柱和梁為焊接或者螺栓連接，鋼骨架與木結(jié)構(gòu)可采用螺栓連接或使用其他連接件的可靠形式，鋼骨架與基礎(chǔ)可采用螺栓連接等方式，所有連接節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)受力時(shí)視為剛接點(diǎn)。各部分材料及規(guī)格如表1所示。

表1 鋼骨架各構(gòu)件材料及規(guī)格

本文鋼骨架抗震加固方法的優(yōu)勢(shì)有：

1）加固后的整體結(jié)構(gòu)抵抗水平力主要由鋼框架柱承擔(dān)，而且鋼骨架中橫梁和木結(jié)構(gòu)梁形成了封閉整體，加強(qiáng)了原木結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和整體穩(wěn)定性，從而提高了抗震性能。同時(shí)，對(duì)木結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及承載能力也有一定的提高。

2）加固鋼骨架隱藏在古建筑木結(jié)構(gòu)的山墻位置，保持了原古建筑風(fēng)貌特征，且鋼骨架組成中，框架梁都為水平方向，方便后續(xù)山墻施工。

3）鋼骨架的數(shù)量和鋼柱、梁的長(zhǎng)度都可以隨著木結(jié)構(gòu)的形式而改變，且鋼骨架采用普通的鋼材。本文提供的抗震加固方法對(duì)木結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性較好。

2.2.2 加固木結(jié)構(gòu)施工方法

1）進(jìn)行鋼骨架的拼裝施工。根據(jù)上述步驟設(shè)計(jì)的鋼骨架，建立實(shí)際模型進(jìn)行抗震驗(yàn)算通過(guò)后，按照設(shè)計(jì)的鋼骨架，準(zhǔn)備好需要的鋼柱、橫梁以及短柱，然后進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的連接施工，全部連接拼裝完成后，一榀鋼骨架完成。

2）完成鋼骨架加固處的木結(jié)構(gòu)拼裝施工。在木結(jié)構(gòu)主體框架拼裝施工過(guò)程中，施工到設(shè)置鋼骨架的一榀木結(jié)構(gòu)處，保留一定的施工空間，準(zhǔn)備進(jìn)行鋼骨架的吊裝。

3）鋼骨架整體吊裝到相應(yīng)位置后，設(shè)置臨時(shí)固定措施，然后進(jìn)行端梁與木結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的連接施工。所有節(jié)點(diǎn)連接完畢后，一榀鋼骨架加固施工完成。有多榀鋼骨架施工，依次按照上述步驟安裝。

2.3 鋼骨架抗震加固分析及驗(yàn)算

根據(jù)鋼骨架抗震加固方案對(duì)原古宅木結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固后，對(duì)比分析加固前后整體結(jié)構(gòu)的抗震性能指標(biāo)，驗(yàn)證鋼骨架加固方法的合理性和正確性。

2.3.1 模型建立

古宅為1層木框架結(jié)構(gòu)，取3榀木框架組成的一個(gè)單元分析。屋檐高4.0 m，平面尺寸為7.52 m×6.60 m，坡屋頂最大高度為2.5 m?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，二類建筑場(chǎng)地?；撅L(fēng)壓為0.45 kN/m，基本雪壓為0.45 kN/m。模型中屋面恒荷載取值4 kN/m2（不考慮自重），按GB 50165-92《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》，活荷載取值0.7 kN/m2，考慮施工附加荷載，總體取值2 kN/m2。

本文運(yùn)用PKPM軟件對(duì)一個(gè)單元建立木框架結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)材料自定義設(shè)置木結(jié)構(gòu)的參數(shù)。木結(jié)構(gòu)柱距為1.36、2.70、2.10 m，跨度為3.0、3.6 m；加固鋼框架為山墻兩側(cè)，鋼框架柱距和木框架柱距相同，鋼框架與木框架通過(guò)縱梁連接一起，實(shí)現(xiàn)縱向共同受力。

框架柱與框架梁以及與地面均為剛接，框架梁之間采用鉸接連接方式，構(gòu)件的截面尺寸見(jiàn)表2。

表2 構(gòu)件截面尺寸及材料性能

通過(guò)以上受力分析及構(gòu)件信息，建立木結(jié)構(gòu)加固后模型，具體的模型如圖6所示。

圖6 鋼骨架加固后整體模型

2.3.2 分析及驗(yàn)算

經(jīng)過(guò)計(jì)算，對(duì)加固前后結(jié)構(gòu)抗震指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，得到各指標(biāo)的提高程度，結(jié)果如表3所示，結(jié)構(gòu)抗震性能計(jì)算云圖如圖7、圖8所示。

表3 抗震分析指標(biāo)對(duì)比

圖7 計(jì)算振型、位移、內(nèi)力云圖（加固）

圖8 計(jì)算振型、位移、內(nèi)力云圖（未加固）

2.4 計(jì)算結(jié)論

通過(guò)上述抗震計(jì)算結(jié)果看出：加固后，整體結(jié)構(gòu)的最大地震力和基底剪力變大了，增大幅度為27%～33%；最小剪重比和剛重比提高較明顯，提高幅度為2%～113%；平均樓層位移、最大層間位移角、最大位移比、最大層間位移比均有不同程度的提高，提高幅度為3%～89%。根據(jù)分析可得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)振型、位移、內(nèi)力云圖可以明顯看出，加固后較加固前的內(nèi)力及位移明顯變小，表明此加固方式對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均有一定的貢獻(xiàn)，加固效果較好。

2）各振型下整體結(jié)構(gòu)的最大地震力和基底剪力變大，加入鋼骨架加固后，結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量增加，地震力的大小與質(zhì)量成正相關(guān)，所以地震力與基底剪力的增大與實(shí)際工況一致，間接說(shuō)明了模型分析的正確性。

3）最小剪重比和剛重比提高明顯，表明采用鋼骨架加固后側(cè)向剛度提高程度較大，鋼骨架質(zhì)量增加比例低，結(jié)構(gòu)較合理。

4）最大樓層位移、位移角、位移比指標(biāo)的提高表明加固后增加了側(cè)向剛度，變形較小，滿足結(jié)構(gòu)的適用性功能。且從X、Y向的變形對(duì)比分析可知，總體Y向的變形較X向大。由于鋼架平面與X向平行，所以X向剛度較大，變形小，計(jì)算剛度分布符合結(jié)構(gòu)理論規(guī)律。對(duì)比可知，加固后對(duì)剛度小的方向剛度提高程度較大。

5）Y向剛度不僅與鋼骨架側(cè)向剛度有關(guān)，也與木結(jié)構(gòu)屋頂結(jié)構(gòu)縱向傳力構(gòu)件有關(guān)，模型中簡(jiǎn)化了屋頂檁條、系桿等結(jié)構(gòu)，實(shí)際Y向剛度較分析模型大，本次分析比較保守。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目采用原址古建筑民宅拆除的材料進(jìn)行異地重建。通過(guò)對(duì)工程中木結(jié)構(gòu)遷建施工及抗震加固技術(shù)的研究，總結(jié)了關(guān)于古建筑木結(jié)構(gòu)異地重建改造成套施工技術(shù)，并提出了一種用于古建筑木結(jié)構(gòu)的鋼骨架抗震的加固方法，通過(guò)計(jì)算對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明此加固方法是正確與合理的，可為后續(xù)類似古建筑遷建工程積累一定的參考經(jīng)驗(yàn)。