我国古建筑木结构的破坏类型及加固方法

中国古代建筑主要是木制建筑。由于其独特的应力性能,它们可以经历风雨,保存至今,如唐代五台山佛光寺和辽代山西应县佛宫寺释迦牟尼塔。

我国古建筑木结构的破坏类型及加固方法


然而,由于自然环境的影响,木结构本身材料的腐烂和老化,加上修复工作不及时,许多古建筑的承载力和稳定性不断下降,甚至处于系统破坏和结构坍塌的危险境地。


中国古建筑是人类物质文明和精神文明的体现,是连接历史的桥梁,具有重要的历史价值和科学价值,保护这些古建筑,长期保存,是当代建筑商不可推卸的重要责任,因此研究木结构加固措施具有重要意义。


在木结构的长期使用过程中,由于荷载时间长、木材老化等原因,木结构的性能会不同程度地降低,最终损坏。木结构的常见损伤类型如下:



(1)开裂


木材在加工过程中水分没有完全蒸发,木材表面和内部干燥速率不同,导致木纤维内外收缩不一致,导致裂缝;木结构在使用过程中,由于长期荷载,加上木材老化,其拉伸、压缩、弯曲、剪切性能下降,在外力下产生裂缝。


(2)腐朽


木材的主要成分是纤维素、半纤维素多糖和木质素。当木材长期处于潮湿的环境中时,真菌会繁殖,导致木材腐烂并完全损坏。常见的腐烂部分包括柱脚、柱头、梁头和后屋檐檩条。腐烂可以减少构件的力截面积和承载力,这对结构非常不利。


(3)变形


木结构在荷载作用下会变形,但由于木材老化,承载力下降或结构荷载过大,变形可能超过规范允许值。构件变形过大,不仅影响美观,而且给结构安全带来很大隐患。


(4)拔榫


我国古建筑木结构的破坏类型及加固方法

榫榫连接是古建筑木结构连接的主要形式,常用于柱、柱、梁、梁之间的连接。在长期负荷下,加上木材本身的收缩等因素,榫榫节点容易松动,出现榫榫现象。榫减少了梁柱的力截面积,降低了承载力,对整个结构产生了不利影响。


我国古建筑木结构的破坏类型及加固方法

(5)蛀虫


白蚁是侵蚀木材的主要对象,白蚁喜阴,多分布在南方,所以南方的木结构容易被虫蛀,北方相对较少。



加固方法


木结构的加固措施有很多种。一般来说,各种方案相互结合。以下主要从整体加固和构件加固两个方面进行阐述。


木结构的整体加固方法


(1)落架大修


即全部或部分拆除木框架,逐一修复或更换损坏部件或损坏点,然后重新安装,并在安装过程中进行整体加固。对于落架大修工程,应先拆除瓦顶,上到下分层拆除望板、椽子、檩条和梁架。在拆卸过程中,应防止榫头断裂或断裂,并采取措施,避免木材构件上的彩画和墨水书记磨损。该方法适用于梁架构件拔榫、弯曲、腐烂、劈裂严重的维修工程,必须更换构件或将榫卯归位。缺点是可能会损坏结构的原貌。

我国古建筑木结构的破坏类型及加固方法


(2)打正


也就是说,在不拆除木结构的情况下,将倾斜、扭转、拔榫的结构复位,然后进行整体加固。同时更换或采取其他修补加固措施,对个别严重损坏的梁、斗、柱等。木构件进入时,应先拆除瓦顶,拆下望板和部分椽子,清理擦端榫卯缝隙。如有加固铁件,应全部拆除,严重损坏的檩条、角梁、平板斗等构件也应先拆除。该方法适用于建筑物外闪严重但大木构件完好、需更换或只需更换个别零件的维修工程。


(3)修整加固


也就是说,在不拆除瓦顶和不拆卸框架的情况下,直接对木框架进行整体加固。该方法适用于木框架变形小、构件位移小、无需矫正的维护工程。



我国古建筑木结构的破坏类型及加固方法

木结构构件的加固方法


(1)嵌补加固法


对于木柱的干缩裂缝,当裂缝深度不超过柱径(或方向截面尺寸的1/3)时,可按嵌补方法修复。当裂缝宽度不大于3时mm当裂缝宽度为3~30时,可在柱的油饰或断白过程中用腻子勾勒出来;mm当裂缝宽度大于30时,可用木条填充,并用耐水胶粘剂粘合;mm当时,除了用木条用耐水胶粘剂填充和粘合外,还应在柱的开裂段加入2~3个铁箍。如果柱的开裂段较长,箍距不应大于0.5m,铁箍应嵌入柱内,使其外皮与柱外皮齐平。


我国古建筑木结构的破坏类型及加固方法

对于梁梁的干缩裂缝,当水平裂缝深度小于梁宽或梁直径的1/4时,可采用嵌补法进行修整,即先用木条和耐水胶粘剂将缝隙嵌补粘结牢固,再用两个以上铁箍或玻璃钢箍紧固。


(2)墩接加固法


柱脚腐烂严重,但自柱底面向上不超过柱高的1/4时,可采用墩接柱脚的方法。墩接时,可分为木墩接、钢筋混凝土墩接、石墩接三种类型。木墩常用的榫榫风格有手掌榫、复制榫等,施工时,除了注意使桥墩榫紧密接缝外,还应增加铁箍,铁箍应嵌入柱内;钢筋混凝土墩仅用于墙内无露柱,高度不得超过1m,柱径应大于原柱径0.2m,并留出0.4m~0.5m用螺栓夹住长钢板或角钢,混凝土强度不得低于C25.柱脚腐烂部分的高度小于0.2m的柱子。


(3)化学加固法


当木材内部因虫蛀或腐烂而形成中空时,如果柱表面厚度不小于50mm,不饱和聚酯树脂可用于灌注和加固。首先,在柱中应力小的部位开孔,然后去除腐烂的木块和碎屑,最后将树脂灌入饱满,每次灌注量不得超过3kg,每次间隔不应少于300个min.文献指出,该法用于加固和维护徐州戏马台古建筑之一风云阁的木柱,加固后无问题,使用效果好。


(4)FRP加固法


FRP复合材料是由纤维材料和基体材料(树脂)按一定比例混合而成的高性能材料。在加固工程中,通过粘合剂粘贴在加固构件表面,以提高结构构件的承载力。FRP复合材料具有重量轻、应力性能好、施工方便等优点,主要用于木梁、木柱、榫榫节点的加固。文献[5]和文献[6]对碳纤维布加固木构架榫卯节点进行研究,结果表明,该加固方式对榫卯节点强度和刚度提高不是很大,但能恢复到未破损之前的状态,适合于破损程度较小的榫卯节点。


中国古代木建筑历经沧桑,保存至今,是祖先留给我们的宝贵财富。如何保存这一宝贵财富是我们不能辜负的使命。随着科学技术的发展和木结构研究的深入,优化改进的木结构加固技术将为其修复加固提供更好的依据和保障。