歷史建筑木構(gòu)件鋼抱箍加固探討

崔光海，馬智剛，林燕秋，龐書經(jīng)

（清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100084）

1 引言

歷史建筑是我國(guó)重要文化遺產(chǎn)，是被政府認(rèn)定為具有保護(hù)價(jià)值且能代表歷史風(fēng)貌和地方特點(diǎn)的建筑物[1]。不僅反映了不同地區(qū)和時(shí)代的建筑風(fēng)格和技術(shù)水平，也蘊(yùn)含了豐富的歷史和文化信息。這些建筑是人類智慧和藝術(shù)的結(jié)晶，也是人類共同的財(cái)富。在歷史建筑中，木結(jié)構(gòu)體系占有重要的地位。木結(jié)構(gòu)是一種傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式，具有輕巧、美觀、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著易燃、易腐、易變形等缺點(diǎn)。由于自然和人為的因素，木結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)常遭受各種損壞，如火災(zāi)、地震、風(fēng)雨、蟲蛀、霉變等，導(dǎo)致其穩(wěn)定性和承載力下降，甚至威脅其安全性能。因此，對(duì)于現(xiàn)存的木結(jié)構(gòu)歷史建筑，如何進(jìn)行有效的修繕加固，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

目前，對(duì)于木結(jié)構(gòu)的保護(hù)和加固方法有很多種，如化學(xué)防腐、物理防火、夾板補(bǔ)強(qiáng)、碳纖維布粘貼等。這些方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的情況和需求。本文探討了一種常用的加固方法，即采用鋼抱箍對(duì)木構(gòu)件進(jìn)行加固。鋼抱箍是一種環(huán)形的鋼板，可以分為兩個(gè)半圓形或矩形柱類似的部分，通過(guò)高強(qiáng)度螺栓連接在一起，形成一個(gè)緊貼木構(gòu)件外表面的圓環(huán)或矩形環(huán)。鋼抱箍通過(guò)預(yù)緊對(duì)木構(gòu)件施加向內(nèi)的壓力，可以防止木構(gòu)件的開(kāi)裂和變形，同時(shí)提高木構(gòu)件的穩(wěn)定性和承載力。本文旨在探討鋼抱箍加固木構(gòu)件的原理、設(shè)計(jì)和施工。

2 鋼抱箍加固木構(gòu)件原理

當(dāng)沒(méi)有鋼抱箍時(shí)，木構(gòu)件干縮開(kāi)裂、糟朽等，導(dǎo)致其截面尺寸減小、整體性下降，從而降低其穩(wěn)定性和承載力；當(dāng)增加鋼抱箍時(shí)，鋼抱箍約束了木構(gòu)件的開(kāi)裂和變形，增強(qiáng)了整體性，鋼抱箍起到了一個(gè)支撐和約束作用，從而增加木構(gòu)件的穩(wěn)定性和承載力。

3 鋼抱箍加固木構(gòu)件的設(shè)計(jì)

鋼抱箍加固木構(gòu)件的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體情況確定其尺寸、數(shù)量、位置和連接方式。以下分別對(duì)這些設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 鋼抱箍的尺寸

鋼抱箍的尺寸是影響其加固效果的重要因素。一方面，尺寸越大，鋼抱箍對(duì)木構(gòu)件施加的預(yù)緊力越強(qiáng)，加固效果越好；另一方面，尺寸越大，鋼抱箍自重越重，成本越高，施工難度越大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和加固效果，并根據(jù)實(shí)際需要確定合理的尺寸。

鋼抱箍的尺寸包括厚度和寬度兩個(gè)方面。厚度是指鋼抱箍的截面厚度，寬度是指鋼抱箍的截面寬度。一般來(lái)說(shuō)，厚度和寬度都應(yīng)與木構(gòu)件的直徑或?qū)挾认嗥ヅ洌床灰诉^(guò)大或過(guò)小。過(guò)大的厚度和寬度會(huì)增加鋼抱箍的自重和成本，而且可能影響木結(jié)構(gòu)的美觀；過(guò)小的厚度和寬度則會(huì)降低鋼抱箍加固效果，當(dāng)鋼抱箍厚度為木構(gòu)件直徑或?qū)挾鹊?.5%左右時(shí)，鋼抱箍對(duì)木構(gòu)件的加固可以達(dá)到一個(gè)較好的水平，既能有效地提高木構(gòu)件的穩(wěn)定性和承載力，又不會(huì)造成過(guò)大的自重和成本；當(dāng)鋼抱箍寬度為木構(gòu)件直徑或?qū)挾鹊囊话霑r(shí)，鋼抱箍既能有效地防止木構(gòu)件的開(kāi)裂和變形，又不會(huì)影響木構(gòu)件的美觀。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)還要根據(jù)木構(gòu)件的材質(zhì)、受力情況和安全等級(jí)進(jìn)行調(diào)整。例如，對(duì)于受力較大或安全等級(jí)較高的木構(gòu)件，可以適當(dāng)增大鋼抱箍的厚度和寬度；對(duì)于受力較小或安全等級(jí)較低的木構(gòu)件，可以適當(dāng)減小鋼抱箍的厚度和寬度。

3.2 鋼抱箍的數(shù)量

鋼抱箍的數(shù)量是影響其加固效果的另一個(gè)重要因素。數(shù)量越多，鋼抱箍對(duì)木構(gòu)件施加的預(yù)緊力越均勻，加固效果越好；但數(shù)量越多，鋼抱箍自重越重，施工難度越大，費(fèi)用越高。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和加固效果，并根據(jù)實(shí)際需要確定合理的數(shù)量。

當(dāng)鋼抱箍間距為木構(gòu)件直徑或?qū)挾鹊?0 倍時(shí)，鋼抱箍對(duì)木構(gòu)件的加固可以達(dá)到一個(gè)較好的水平，既能有效地控制木構(gòu)件的開(kāi)裂和變形，又不會(huì)造成過(guò)多的自重和費(fèi)用。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)還要根據(jù)木構(gòu)件的材質(zhì)、受力情況和安全等級(jí)進(jìn)行調(diào)整。例如，對(duì)于受力較大或變化較劇烈的部位，可以適當(dāng)增加鋼抱箍的數(shù)量；對(duì)于受力較小或變化較平緩的部位，可以適當(dāng)減少鋼抱箍的數(shù)量。

3.3 鋼抱箍的位置

鋼抱箍的位置是影響其加固效果的第三個(gè)重要因素。一方面，位置越合理，鋼抱箍對(duì)木構(gòu)件加固效果越好；另一方面，位置越合理，鋼抱箍自重越小，施工難度越小，費(fèi)用越低。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和加固效果，并根據(jù)實(shí)際需要確定合理的位置。一般情況下需在木構(gòu)件有裂縫或損傷處設(shè)置鋼抱箍。構(gòu)造加強(qiáng)情況下需在木構(gòu)件兩端各設(shè)置一個(gè)鋼抱箍，如果構(gòu)件長(zhǎng)度較大，可在木構(gòu)件中間部分按照等間距設(shè)置若干個(gè)鋼抱箍。

在木構(gòu)件兩端設(shè)置鋼抱箍可以有效地防止木構(gòu)件在軸向壓力作用下發(fā)生失穩(wěn)；在木構(gòu)件中間部分按照等間距設(shè)置若干個(gè)鋼抱箍可以有效地控制木構(gòu)件的開(kāi)裂和變形；在木構(gòu)件與橫梁或其他構(gòu)件連接處設(shè)置鋼抱箍可以有效地提高木構(gòu)件的抗剪能力和抗震能力；在木構(gòu)件有裂縫或損傷處設(shè)置鋼抱箍可以有效地修復(fù)木構(gòu)件的缺陷和增強(qiáng)木構(gòu)件的完整性。

3.4 鋼抱箍與木構(gòu)件之間的連接方式

鋼抱箍與木構(gòu)件之間的連接方式是影響其加固效果的第四個(gè)重要因素。連接方式越牢固可靠，鋼抱箍與木構(gòu)件之間的協(xié)同工作效應(yīng)越好，加固效果越好。目前，常用的連接方式有以下幾種。

1）螺栓連接：即用高強(qiáng)度螺栓將鋼抱箍的兩個(gè)半圓形或矩形柱類似的部分連接在一起，并用墊圈和螺母緊固。這種連接方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、可拆卸等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著螺栓會(huì)松動(dòng)、螺栓會(huì)腐蝕等缺點(diǎn)。

2）焊接連接：即用電焊或氣焊將鋼抱箍的兩個(gè)半圓形或矩形柱類似的部分焊接在一起，形成一個(gè)完整的環(huán)形結(jié)構(gòu)。這種連接方式具有結(jié)構(gòu)牢固、不易松動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著施工難度大、需要專業(yè)設(shè)備和人員、會(huì)產(chǎn)生高溫和火花等缺點(diǎn)。

3）膠粘連接：即用特種膠水將鋼抱箍的兩個(gè)半圓形或矩形柱類似的部分粘接在一起，并用夾具或繩索將其緊貼在木構(gòu)件外表面上，待膠水干燥后形成一個(gè)完整的環(huán)形結(jié)構(gòu)。這種連接方式具有結(jié)構(gòu)美觀、不會(huì)削弱木構(gòu)件截面、不會(huì)產(chǎn)生高溫和火花等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著膠水質(zhì)量不穩(wěn)定、膠水干燥時(shí)間長(zhǎng)、膠水易老化等缺點(diǎn)。

工程中常用的連接方式為螺栓連接，可以通過(guò)采用不銹鋼螺栓或通過(guò)做好防銹漆等方式解決防腐問(wèn)題，通過(guò)雙螺母等做法可以解決螺栓松動(dòng)問(wèn)題。

4 鋼抱箍加固木構(gòu)件施工關(guān)鍵點(diǎn)

鋼抱箍加固木構(gòu)件的施工應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，并注意以下幾點(diǎn)。

1）在施工前，要對(duì)原有木結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)估，確定其材料性能、受力狀況和安全等級(jí)，并制訂合理的加固方案。同時(shí)，要對(duì)木結(jié)構(gòu)進(jìn)行清潔和保養(yǎng)，去除表面的灰塵、油污、水分等雜質(zhì)，保持木結(jié)構(gòu)的干燥和清潔。

2）在施工過(guò)程中，要注意保證鋼抱箍與木構(gòu)件之間的緊密貼合，避免出現(xiàn)空隙和松動(dòng)，影響加固效果。根據(jù)不同的連接方式，要采用不同的方法進(jìn)行預(yù)緊力的施加和控制。例如，對(duì)于螺栓連接，要用扭力扳手或扭力計(jì)對(duì)螺栓均勻地?cái)Q緊，并定期檢查螺栓的緊固程度；對(duì)于焊接連接，要用電焊或氣焊對(duì)鋼抱箍均勻地進(jìn)行焊接，并注意防火和防燙；對(duì)于膠粘連接，要用特種膠水對(duì)鋼抱箍進(jìn)行均勻涂抹，并用夾具或繩索將其緊貼在木構(gòu)件外表面上，待膠水干燥后再拆除夾具或繩索。

3）在施工后，要對(duì)加固后的木結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)和驗(yàn)收，評(píng)估其加固效果和安全性能，并進(jìn)行定期的維護(hù)和檢查，防止鋼抱箍的腐蝕和松動(dòng)，從而影響木構(gòu)件的使用壽命。

5 鋼抱箍加固木構(gòu)件優(yōu)缺點(diǎn)

鋼抱箍加固木構(gòu)件是一種簡(jiǎn)單有效的加固方法，具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不會(huì)改變木結(jié)構(gòu)的原有形式和風(fēng)格；施工方便，不需要大型設(shè)備和復(fù)雜工藝；成本低廉，不需要使用昂貴的材料和人工；效果顯著，可以顯著提高木結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、承載力、抗剪能力和耐久性；可拆卸，可以根據(jù)需要進(jìn)行拆裝和更換[2]。

然而，鋼抱箍加固木構(gòu)件也存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：鋼抱箍會(huì)增加木構(gòu)件的自重；鋼抱箍會(huì)影響木構(gòu)件的美觀，可能破壞木構(gòu)件的原有風(fēng)貌；鋼抱箍與木構(gòu)件之間的連接方式可能不夠牢固可靠，可能導(dǎo)致鋼抱箍的松動(dòng)或脫落；鋼抱箍可能會(huì)受到腐蝕或磨損，可能影響其加固效果和使用壽命。

鋼抱箍加固木構(gòu)件是一種簡(jiǎn)單有效的加固方法，但也存在一些缺點(diǎn)和不足。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)具體情況選擇合適的抱箍加固方案，并注意對(duì)加固后的木結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期檢查和維護(hù)。

6 實(shí)例分析

四川眉山太和老鎮(zhèn)位于眉山市東坡區(qū)太和鎮(zhèn)，基本為建于明清至民國(guó)時(shí)期的老舊建筑，太和老鎮(zhèn)有數(shù)十處不可移動(dòng)文物和歷史建筑，大部分為磚木結(jié)構(gòu)，由于年久失修、風(fēng)雨侵蝕，很多房屋面臨損毀的風(fēng)險(xiǎn)，為提升這些房屋的耐久性和安全性，對(duì)這些房屋進(jìn)行修繕加固。

四川眉山太和老鎮(zhèn)房屋大部分為穿斗結(jié)構(gòu)，木結(jié)構(gòu)采用杉木，木柱直徑尺寸120～200 mm，穿枋高度150～200 mm，木檁條直徑150 mm 左右，椽條尺寸80 mm×80 mm，椽條間距300 mm 左右，一般采用瓦屋面，現(xiàn)場(chǎng)木結(jié)構(gòu)常見(jiàn)病害為局部糟朽開(kāi)裂，為增強(qiáng)木柱承載能力和安全性，對(duì)局部開(kāi)裂的部位進(jìn)行抱箍加固，鋼板采用Q235B，鋼板厚度4 mm，鋼板寬度150 mm，螺栓采用M12 高強(qiáng)螺栓，為增強(qiáng)防腐蝕能力，鋼板和螺栓均進(jìn)行防銹涂裝，為防止螺栓松動(dòng)，用雙螺母進(jìn)行擰緊。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的150 mm 直徑原木進(jìn)行承載力分析，計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 計(jì)算模型圖

原木直徑150 mm，高3 m，假定兩端鉸接，施加軸向偏心荷載按杉木材質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，其承載力為89.9 kN，模型中間增加一道500 mm 長(zhǎng)豎向縫近似模擬原木開(kāi)裂影響，在同樣邊界及加載條件下其承載力下降約30%，在開(kāi)縫模型中部增加4 mm 抱箍鋼板后進(jìn)行計(jì)算，其承載力為82.6 kN。從分析中看出：原木開(kāi)裂后，其承載力下降，當(dāng)進(jìn)行抱箍加固后，其承載力基本恢復(fù)，鋼抱箍加固效果簡(jiǎn)單有效。

7 結(jié)論

1）鋼抱箍加固木構(gòu)件是一種簡(jiǎn)單有效的加固方法，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、成本低廉、效果顯著、可拆卸等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)具體情況選擇合適的抱箍加固方案，并注意對(duì)加固后的木結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期的檢查和維護(hù)。

2）原木構(gòu)件開(kāi)裂后，其承載力下降，在進(jìn)行鋼抱箍加固后，其承載力基本能夠恢復(fù)。