建筑木結構加固技術研究現(xiàn)狀與展望

沈江元，毛信芳

（1.北京維拓時代建筑設計股份有限公司，北京 100025；2.南京高科股份有限公司，南京 210023）

木結構建筑在我國的寺廟、塔乃至古民居等建筑中都占有較大的比例，對建筑史和人文歷史的研究都有深遠的意義[1]。但由于自然環(huán)境下，木結構易產(chǎn)生開裂、糟朽、變形、拔榫和蟲類的侵蝕等損壞[2-3]，木結構建筑即使擁有著優(yōu)良的受力性能，也很難保存完好。若沒有前人對木結構加固的研究，大量的木結構建筑都無法保存至今。再者，木結構建筑具有環(huán)境相容性、空間利用性和抗震性等特性[1]，很多地方仍以木材作為建筑材料。因此，對木結構加固的研究不僅可以貢獻于古建筑的維護，還有利于形成標準的木結構建筑設計規(guī)范，降低建筑因各種原因損壞的風險。近代以來，大量國內外學者都投身到木結構加固、維護的研究工作中，并取得了巨大的進步?，F(xiàn)代的加固方法對木結構建筑本身會有一定的損壞性和不可逆轉性，要使木結構古建筑能更加長久的存在，現(xiàn)在的水平還遠遠不夠。在之前研究的基礎上，推動木結構加固的不斷發(fā)展是建筑相關人員不可推卸的責任。

1 木結構建筑加固研究的發(fā)展歷程

我國木結構加固研究相較國外，開始的較晚。近代才逐步形成符合實際的古代木建筑保護原則[4]。在我國經(jīng)濟和科技高速發(fā)展的大環(huán)境下，國內將新材料、新技術應用于木結構加固的措施也逐漸增多。目前，我國已經(jīng)實施了GB 50165—92《古建筑木結構維護與加固技術規(guī)范》等專門的規(guī)范性文件[4]，各種木結構加固性能的研究成果也陸續(xù)出現(xiàn)。

木結構加固的傳統(tǒng)方法主要是對木建筑進行整體加固，對建筑的影響較大，尤其對古建筑的修復來說，會嚴重地影響其外觀?，F(xiàn)代方法則是采用新型材料對木構件進行修繕，對傳統(tǒng)技術的缺陷進行了彌補，但其加固效果仍需大量實踐來檢驗。

一般情況下，針對木結構，常用的主要加固方法以減小截面的應力為目的，提高結構構件的有效受力面積；或者以改變傳力途徑為目的，直接改變結構的受力體系[5]（如增加支撐法等），降低結構構件的受力，通過上述2 種方法，結構安全性得到提高。

隨著研究和實踐的深入，工程界認識到，應根據(jù)實際條件以及使用要求選擇適宜的加固方法，將傳統(tǒng)加固技術與現(xiàn)代加固方法結合起來，通過不斷的試驗、實踐形成完善的木結構建筑加固體系。

2 木結構建筑常見的損壞形式及傳統(tǒng)加固方法

在自然環(huán)境和長期荷載的作用下，木材的材料性能逐漸降低，出現(xiàn)木構件（主要為梁、柱）開裂、木材腐朽、受彎變形過大、白蟻侵蝕和榫卯節(jié)點脫離等老化和損壞的現(xiàn)象。弄清損壞的原因，選擇適合加固方式是非常必要的[4-6]，常見的損壞形式及其處理方法有下列幾種。

（1）構件開裂。木材長期處于干濕交替的環(huán)境，在荷載的作用下，各層木纖維收縮差別較大，從而導致構件開裂[5-7]。當裂縫較短時，可直接用鐵箍箍牢；當裂縫較深時，則需要采用嵌補加固法，同時加設鐵箍。

（2）木材腐朽。木材長期處于潮濕溫熱環(huán)境，極易滋生昆蟲、菌類等生物，導致木構件腐蝕，常見位置為柱根。根據(jù)腐蝕情況的嚴重程度，傳統(tǒng)加固方法可分為剔補、包鑲和墩接法[8]。

（3）撓度過大。在長期荷載荷載作用下，由于木材的老化，木材彈性模量降低，導致?lián)隙炔粷M足規(guī)范要求。當梁枋構件撓度輕微，不影響正常使用時，傳統(tǒng)方法為將構件旋轉180°繼續(xù)使用[2]。當撓度較大時，則需要使用支頂法來進行加固。

（4）榫卯節(jié)點破壞。木結構建筑中，榫卯節(jié)點為木結構建筑中重要的連接形式。卯榫由榫頭和卯孔組成，具有較好的彈性，因此抗震性能良好[9-11]。常見的節(jié)點破壞形式一般為脫榫或榫頭折斷。

卯榫節(jié)點的加固方法主要有扁鋼加固法[12]或FRP加固法[13]。謝啟芳等[9]選取廳堂框架主承重柱（挑檐柱）的柱-框架縮尺模型，對無筋框架、碳纖維布加固框架和扁鋼加固框架在水平低周反復荷載作用下進行了試驗研究，給出了各框架的破壞特征、滯回曲線、骨架曲線、強度和剛度退化規(guī)律及變形和能耗等性能指標。研究結果表明：扁鋼加固構架剛度最大，未加固構架剛度最小。扁鋼加固木構架榫卯節(jié)點的方法可以顯著提高節(jié)點的強度和剛度，而碳纖維布加固方法對于木構架榫卯節(jié)點的強度和剛度提高效果都不明顯。總體來說，F(xiàn)RP 加固法只適用于破損程度小的節(jié)點；而扁鋼加固法對節(jié)點的耗能能力有較大的影響，適用于節(jié)點強度明顯不足的構件。

3 現(xiàn)代木結構加固采用的基本方法

3.1 整體加固

木結構產(chǎn)生裂縫、糟朽、彎垂和拔榫等現(xiàn)象后，會進一步導致建筑構架損傷。對于不同殘損程度的建筑構架，有如下解決方法：揭瓦修繕、修整加固、支頂撥正和落架大修[2]。

（1）瓷磚拆除和維修是在單個構件損壞且屋架完好時拆除瓷磚、維修和加固受損構件的措施。

（2）修補加固是指在木架變形小、構件位移小的情況下，對損壞構件進行修補加固，無需揭磚拆框。

（3）屋頂支撐是當部分構件發(fā)生傾斜、傾斜和不均勻沉降時，在不拆除木框架的情況下，支撐屋頂梁框架，復位傾斜、扭轉和拉榫構件，更換和修復損壞構件的措施。

（4）落架大修適用于梁架構件嚴重彎曲、開裂、腐朽的情況，對全部或部分構件進行修補或更換。

上述幾類修繕形式是中國古建筑傳統(tǒng)屋架的修繕方法，一直沿用至今，能夠較好地保持建筑構架完整性。應該指出的是，這些修復方法會對建筑物的原始風格產(chǎn)生很大影響，故不適用于古代建筑文物的修繕。

1.2 構件加固

（1）墩接加固法。柱根由于長時間接觸潮濕的地面，易腐爛。墩接法是將柱根糟朽部分去掉，換上新料，再用鐵箍箍牢墩接的加固方法。當糟朽面積占柱截面面積1/2；或有柱心糟朽現(xiàn)象，糟朽高度占柱高的1/5～1/3 宜采用墩接法，墩接高度為柱高的1/5～1/3。

20 世紀60 年代，美國學者Wangaard[14]首次將CFRP 運用到木結構加固中，并進行了CFRP 加固木梁的試驗研究。FRP 彌補了鐵件易銹蝕的缺點，將傳統(tǒng)與現(xiàn)代加固方法融合起來，更好地提高了加固的效果。

（2）嵌補加固法。嵌補加固法主要用于木構件產(chǎn)生干縮裂縫，且損壞不大（構件的水平裂縫深度小于梁寬或梁直徑的1/4）的情況?；痉椒橥ㄟ^耐水性膠水和木條將裂縫縫隙粘結嚴實，再用鐵箍等箍緊。當木構件僅表層受到腐蝕時，也可先將表層去除，再采用嵌補加固法。國外學者研究發(fā)現(xiàn)，使用環(huán)氧樹脂作為粘合劑，木屑和玻璃纖維作為填料，填充和表面修復木材腐爛、裂縫和其他損壞，可以避免修補和嵌入造成的材料損失。但實際效果仍需得到實踐的檢驗。

此方法操作相對簡單，能有效地阻止木材裂縫。但由于經(jīng)維護后的木構件2 部分受力狀況差別較大，因此受力性能相較于原構件，有了一定的降低。

（3）鐵件加固法。作為一種傳統(tǒng)的加固方法，鐵件加固法能高效地提高木結構構件的承載能力及剛度。具體加固方式有鐵箍加固、鐵片加固、鐵鉤加固和鐵釘加固等。

2011 年，周乾等[15]采用人工分析與計算機模擬結合的方法，研究了古建筑鐵件加固技術的分類及其特點，客觀地評價了加固效果。但此方法的缺點也同樣突出，一是鐵片長期暴露于空氣中，極易產(chǎn)生銹蝕；二是加工方法往往是不可逆的，破壞了木結構的原有狀態(tài)；三是嚴重地影響建筑的美觀。

（4）支頂加固法。通過支撐木結構建筑的梁框架，減小了撓度，這種加固方法的主要思路為以小木柱或鐵鉤為梁架增加額外的支撐，并調整所加固木梁的內力分布，以提高木梁的承載力。

然而，該方法將改變整個結構的傳力系統(tǒng)，當需要更換構件時，需要卸除荷載，對其進行“落架”，這種方法容易對部件甚至整個結構造成損壞，而且是不可修復的。

（5）化學加固法。木材在放置過程中會受到蟲蟻、菌類的侵害，使用化學試劑能有效預防此類情況，保證木材的性能。木材防腐劑一般應具有保證木材不受生物侵害，能起到殺蟲、殺菌作用，不易揮發(fā)、不影響木材性能及進一步加工等要求。

化學防腐一般采用以下幾種處理方法：涂刷法、噴灑法、注射法、滴液法、浸泡法、加壓法和熏蒸法等[16]。但此過程是不可逆的，對木結構影響較大。

（6）FRP 加固法。傳統(tǒng)的木結構建筑加固方法容易導致木結構的建筑風貌發(fā)生改變，且若操作稍有不當將致使構件產(chǎn)生新的破壞。近年來，人們對木結構建筑的保護和研究意識越來越強，通過FRP 的包裹加固，木結構的極限承載力和構件變形及構件材料的耐久性能等指標獲得了極大地提高。

FRP 加固木結構由鐵件加固法粘貼金屬材料發(fā)展而來[17]。常用的FRP 有CFRP（碳纖維布）[18]、GFRP（玻璃纖維布）[19]、BFRP（玄武巖纖維布）[20]、AFRP（芳綸纖維布）[21]。相對于傳統(tǒng)加固法，F(xiàn)RP 加固法對木結構建筑的外觀影響較小，同時FRP 具有自重輕、強度高、耐酸性、易操作和抗腐蝕等優(yōu)點[22-23]，可以提高木構件的承載力、剛度和延性[5-6]，是木結構建筑加固領域未來重要的發(fā)展方向之一。隨著FRP 加固木結構的應用，大量理論研究也不斷的深入：

王增春等[24]、張莉[25]、王琨[26]、楊會峰等[27]、朱曉冬等[20]針對FRP 加固木梁的不同方向進行了研究。王增春發(fā)現(xiàn)相較于未進行預彎的梁，預彎梁加固后強度有明顯提升。張莉研究了CFRP 的層數(shù)和初始荷載2 個變量對木梁承載力的影響。王琨通過控制木梁截面尺寸和長度、CFRP 的環(huán)向纏繞配筋量及木梁是否存在裂縫來研究抗剪加固，得出了木梁的2 種抗剪破壞模式。楊會峰等則在FRP 加固木結構力學模型的基礎上，進行了粘結界面粘結剪應力、截面中性軸位置、FRP 板拉力、受拉面層破壞荷載和極限荷載等的計算公式的推算。朱曉冬等則更近一步對不同貼面工藝的FRP 加固進行了可靠度研究。但這些研究都是基于理想的彈塑性體，而木材的是各項異性的，對試驗結果可能會有較大影響，尤其是剪切性破壞的研究。因此仍需通過大量實踐來驗證。

陳松軍[28]、鄭涌林等[29]、周乾等[30]進行了基于不同材料，F(xiàn)RP 加固木柱的試驗研究。試驗結果均表明，F(xiàn)RP 能有效約束木柱的橫向變形，顯著提高木柱的延性。通過與傳統(tǒng)加固技術的結合，能起到良好的加固效果，同時還能避免柱根的進一步腐朽；基于榫卯節(jié)點對木結構抗震性能的重要性，張風亮等[31-32]、陸偉東[33]、盧晨怡[34]則進行了FRP 加固殘損節(jié)點的試驗研究以及木結構整體抗震性能的研究，但由于節(jié)點受力的復雜性及各方面因素的影響，并未取得很好的結果，仍需深入研究。

4 思考與展望

（1）農(nóng)村民居木結構加固應遵守“因地制宜、就地取材、經(jīng)濟實用”的原則，將鉚釘、木條和鋼板等經(jīng)濟性較好的構件作為加固材料，來綜合提高民居木構架抗震能力。

（2）對于古建筑的修復，要遵循最小干預準則。在修復和加固損壞（如糟朽和裂縫）時，應盡可能合理地更換材料和部件，只有在不可能保留材料或構件應力不能滿足要求時，才可以更換。遵循可逆性和可識別性原則，注意技術措施的可逆性，新的零部件材料必須具有一定的可識別性。

（3）卯榫節(jié)點作為木結構的重要組成部分，在木結構建筑中對減震耗能起到了至關重要的作用，但現(xiàn)階段對此方面的研究尚淺，且由于木材的各項異性，采用軟件模擬與實踐效果會有較大的出入，因此相應的模擬分析方法仍有待進一步研究。

（4）FRP 材料的應用，實現(xiàn)了在對建筑盡量少的干預下，最大程度發(fā)揮材料的性能，是木結構加固的發(fā)展方向之一，但如何保證FRP 加固木結構的耐久性，確保FRP 在使用中的長期性能，應進一步驗證。

（5）對于較復雜（多層或者連續(xù)大面積）的木結構，如何選擇力學性能和防火性能均較好的加固材料，確保加固后木結構建筑的防火性能，是一個值得研究的課題。

（6）木結構構件之間的連接主要為榫卯節(jié)點連接，因此對構件進行開孔是不可避免的。由于木材本身的構造特性，木材開孔產(chǎn)生的應力分布變化不能簡單地參考混凝土的公式及思路，關于這方面的研究不足，是值得探索的方向。