古建筑木结构加固方法研究-辨证施之

古建筑木结构加固方法研究

周 乾1,2

,闫维明1

,李振宝1

,纪金豹

1

(1 北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室,北京100022;2 故宫博物院,北京100009)

[摘 要] 中国古建筑以木结构为主,具有悠久的历史和文化价值,保护意义重大。本文作者根据木结构古建筑特点,讨论了木结构的不同破坏症状,如开裂、糟朽、挠度及拔榫等。在此基础上,主要讨论了木构件的各种加固方法,如采用墩接法加固柱根,采用嵌补法加固开裂构件,采用铁件加固法加固榫卯节点或裂缝较大构件,采用支顶加固法改善木梁弯曲受力状况,采用化学加固法对结构进行防腐加固,采用FRP 法加固梁、柱及榫卯节点等。最后,结合工程实际,对几种常用的加固方法进行数值模拟分析,获得了加固前后的结构内力及变形数据,得出了对于不同的破坏类型,采取适当的加固方法均可有效提高木结构受力性能的结论。随着科技发展,更经济、有效的加固方法将用于古建筑木结构保护中。[关键词] 古建筑;木结构;破坏类型;加固方法;数值模拟[中图分类号] TU366 2 [文献标识码] A

Study on Strengthening Methods of Timber Structures of Ancient Buildings

Zhou Qian

1,2

,Yan Wei -ming 1,Li Zhen -bao 1,Ji Jin -bao 1

(1.Beijing Ke y Laboratory o f Ea rthquake En gineering an d Structural

Retro f it ,Beijing Uni versity o f Technology ,Beijing 100022,China ; 2.Imperial Palace Museum ,Beijin g 100009,China )

Abstract :Chinese ancient buildings are mainly made of timber and are worth protecting for their historic and cultural values.In this paper,the different damage types of timber structure are discussed according to their defects,such as cracks,decay,deflection,tenon pulled from morti se and so on.Then the different strengthening methods for ti mber members are analyzed.For example,we used Dun -Jie technique to strengthen column roots,used filling method to s trengthen those wi th cracks,used band iron to strengthen tenon -mortise joints or those with large cracks,used supports to reduce deflection of ti mber beams,used chemical material to avoid rot or worms,used FRP materials to strengthen beams and columns and so on.Based on actual engineerings,numerical si mulations on some of the strengthening methods above are made.Results show that by using proper methods we can improve the mechanical characters of the damaged ti mber constitutions.With the develop ment of modern technology more economical and efficient strengthening methods will be applied for ancient buildi ng p rotection.Keywords :ancient building;timber structure;damage type;strengthening method;numerical simulation

[收稿日期] 2007-10-17

[基金项目] 故宫博物院科研基金项目(KT2007-4)

1 引言

古建筑保护是一项非常重要的工作。由于木材

具有良好的抗弯、抗压、抗震、易于加工和维修等优点,因此在我国古建筑中应用非常广泛,至今仍存世有大量的木结构古建筑。故宫作为世界上现存规模最大的木结构古代宫殿建筑群,就是一个很好的例子。然而,由于木材徐变大、弹性模量低、易老化变形等缺点,在外力(地震和台风)作用下或自然作用(雨、雪侵蚀或微生物破坏)下容易产生各种破坏,如

梁架变形、梁柱开裂、节点拔榫等,因此有必要采用各种方法进行加固。本文将对古建筑木结构破坏及

加固方法进行详细分析。2 破坏类型

古建筑木结构由于受荷时间长久或经受风雪侵蚀导致材料性能下降,因而产生不同类型的破坏,主要包括如下几个方面:

(1)开裂(图1):一些木材由于在制作当时没有干透,其表层部分比内部容易干燥,而木纤维的内外收缩不一致,年久后由于木料本身的收缩而产生裂缝;或由于梁、柱受荷时间过长,木材本身材质下降导致抗拉、压、弯、剪性能降低,使得在外力作用下木

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工程抗震与加固改造

Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting

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(2)糟朽(图2):木结构构件如长期处于潮湿环境中,很容易发生糟朽,常见的部位有柱根及屋面角梁等。柱根由于包砌在墙内,缺乏干燥或通风,天长日久而产生糟朽;角梁因在屋面位置,当屋面漏雨时,也常常因为积水而产生糟朽。糟朽使得梁、柱构件抗拉、压、弯、剪截面面积减小,承载力降低,对整个木结构非常不利。

(3)挠度(图3):古建筑木梁在长期荷载作用下,由于材料性能老化造成木材弹性模量降低以及抗弯能力下降,导致跨中挠度大大超过规范允许值。如故宫太和殿西山挑檐檩直径0 35m,长度11 2m,跨中挠度达0 13m,远远超出 木结构设计规范 (允许值5 59cm),见图3所示。挠度不仅仅影响古建筑的外观,而且长期发展下去容易使木梁产生受弯破坏。

(4)拔榫(图4):卯榫连接是古建筑木结构连接的主要形式,主要用于柱与柱、梁与梁、梁与柱之间的连接。在长时间外力作用或木材本身收缩等因素影响下,梁、柱节点位置很容易发生拔榫现象。拔榫使得梁、柱构件有效受力截面减小,容易产生拉、压、弯、剪破坏,

对木结构整体性造成一定影响。

图1 木梁开裂

Fig 1 C racks on timber beam

图2 柱根糟朽

Fig 2 Decay of column root

图3 木梁挠度(故宫太和殿)

Fig 3 Deflection of beam

(Ta-i He Palce in Forbidden City)

图4 节点拔榫

Fig 4 Tenon pulled from mortise

3 加固方法

3 1 整体加固

对于梁架整体而言,加固形式有如下三种[1]:

(1)落架大修:即全部及部分拆落木构架,对残

损构件和残损点逐个进行修整,更换残损的构件,再

重新安装,并在安装时进行整体加固。该法是在梁

架构件拔榫、弯曲、腐朽、劈裂非常严重,必须更换构

件或使榫卯归位的情况下采用的加固措施。

(2)支顶拔正:即在不拆落木构架的情况下,首

先对整体梁架支顶,使倾斜、扭转、拔榫的构件复位,

再进行整体加固,对个别残损严重的梁枋、斗等应

同时进行更换或采取其它修补加固措施。该法是在

建筑物外闪严重,但大木构件尚完好,不需换件或仅

需换个别件的情况下采取的加固措施。

(3)修整加固:即在不揭除瓦顶和不拆动构架的

情况下,直接对木构架进行整体加固。该法仅适用

于木构架变形小,构件位移不大的维修工程。

3 2 构件加固

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古建筑木结构构件加固的方法有多种,而且常常几种方法结合使用。常用的加固方法有:

(1)墩接加固法(图5):即将柱子糟朽部分截掉,换上新料,通常用于柱根的加固。常见的作法是做刻半榫墩接,方法是:将接在一起的柱料各刻去直径的1 2作为搭接部分,搭接长度一般为柱径的1~1 5倍,端头做半榫,

以防搭接部分移位。

图5 墩接方法

Fig 5 Method of Dun -Jie te chnique

(2)嵌补加固法(图6):当梁、柱裂缝不大或梁、柱轻微糟朽时可采用嵌补加固法。对于梁的干缩裂

缝,当构件的水平裂缝深度小于梁宽或梁直径的1 4时,可先用木条和耐水性胶粘剂,将缝隙嵌补粘接严实,再用两道以上的铁箍或玻璃钢箍箍紧。对于木柱的干缩裂缝,当其深度不超过柱径(或该方向截面尺寸)1 3,且裂缝宽度小于30mm 时,可用木条嵌补,并用耐水性胶粘剂粘牢[1]

。对于柱子糟朽,当仅为表层腐朽,且经验算剩余截面尚能满足受力要求时,可将腐朽部分剔除干净,经防腐处理后,用干燥木材依原样和原尺寸修补整齐,并用耐水胶粘剂粘接。嵌补加固法的目的相当于恢复木构件的受力截面,

但由于木构件相当于由两部分组成,故受力性能不

如原木。

图6 嵌补加固法Fig 6 Reinforcement by filling

(3)铁件加固法(图7):当梁、柱裂缝较大时,对其进行嵌补的同时还需要进行铁件加固;当柱根糟朽范围较大时,在对其进行墩接的同时,还需对墩接部位进行铁件加固;梁、柱节点拔榫时也可采用铁件加固法。铁件加固法通常是用扁铁将梁、柱构件箍牢或者用扁铁将梁、柱节点进行连接。铁件加固法通过采用扁铁承担构件的部分拉、压、弯、剪、力,有效地提高了梁、

柱构件的力学性能。

图7 铁件加固法

Fig 7 Reinforcem ent by iron members

(4)支顶加固法(图8):即通过对梁架进行支顶来减小其挠度的方法。支顶加固通常有两种形式:当木梁下有梁枋时,可在梁枋上设置木柱作为附加支座;当木梁下没有梁枋时,可在木梁侧方设置铁钩拉接,铁钩一端钉入木梁内,另一端钉入附近梁架内,该铁钩同样起到附加支座作用。支顶加固法可有效改善木梁内力重分布,降低木梁跨中挠度和弯

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距,

提高木梁的受荷性能。

图8 支顶加固法Fig 8 Method of the supports

(5)化学加固法:是通过化学药剂的处理,使已遭受菌、虫和机械损害的木材性质稳定的一种方法。

古建维修中常用的化学加固所用材料每100g 重量配比如下[2]

:304号不饱和聚酯树脂100g;1号固化剂(过氧化环乙酮苯)4g;1号促进剂(环烷酸钴苯乙酸液)2~3g;石英粉100g 。使用时,先加固化剂,搅拌均匀,再加促进剂,搅拌均匀后加石英粉即可。化学加固法除了能增加木材的强度外,还能增加木材的尺寸稳定性和防腐、抗虫能力。

(6)FRP 加固法(图9):即采用FRP 材料对木结构构架进行加固的方法。纤维增强复合材料(FRP)是由纤维和树脂基体两种不同性能、不同形态的组分材料通过复合而成的一种多相材料,是一种新型复合材料,主要由高性能纤维、聚酷基、乙烯基或环氧树脂组成。FRP 材料具有比强度和比模量高、自重轻、施工方便、良好的耐腐蚀性能等优点。一般来说,FRP 在木结构中的加固思路主要有:抗弯加固,利用FRP 抗拉强度高的特性,将其粘贴在木梁受拉区,使之与木梁共同承受荷载,以提高木梁的受弯承

载力,从而达到加固补强的作用;抗剪加固,把FRP

粘贴于构件的剪跨区,起到与箍筋类似的作用,从而提高构件的抗剪承载力;抗压加固,对木柱用FRP 包裹适当区域,约束木柱变径向形,从而提高木柱

的受压承载力。

图9 FRP 加固木梁照片

Fig 9 Strengthening beam of FRP material

4 算例

为详细说明古建筑木结构加固前后的受力性能,下面通过几个算例进行分析。

算例一:故宫太和殿山面扶柁木支顶加固分析[3]

。该扶柁木两端与童柱上皮的燕尾榫接口落差达10~11 5cm 。固定扶柁木与童柱的铁片已经变形,松动,扶柁木向外轻微歪闪,如图10所示。由图可知,除扶柁木端部燕尾榫下沉外,该扶柁木已加支

顶,而且材质较新,

显然为后加。

图10 故宫太和殿山面扶柁木支顶加固Fig 10 Supports for side beam of Ta-i He Palace

该扶柁木长11 22m,截面尺寸为0 625m 0 505m,经过荷载组合,可得出传到山面扶柁木的竖向荷载为1851 2kg m,水平侧向荷载为103 2kg m 。通过结构计算可知:支顶前扶柁木最大弯矩发生在端部,其值为0 143e6N m,支顶后最大弯矩位置不变,值为0 03e6N m,是支顶前的1 5;支顶前扶柁木的最大剪力发生在端部,其值为0 074e6N,支顶后扶柁木剪力产生重新分布,最大剪力发生在跨中附近,其值为0 027e6N,降低至原来的将近1 3;支顶前扶柁木的竖向挠度最大值发生在中部,为6c m,支顶

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后扶柁木最大挠度值降低至不足1cm 。

算例二:故宫太和殿三次间正身顺梁加固分析

[4,5]

。该正身顺梁一端与童柱上皮落差约10c m,

固定童柱与顺梁的铁件已发生变形,脱落。图11为该顺梁与童柱卯榫节点现状照片。其中图11(a)为梁架整体现状照片,图11(b)为揭去瓦面和椽望后露出的卯榫节点照片。由图11(a)可知,该梁架整体目前保存基本完好,未出现明显的糟朽或变形。但由图11(b)可知,顺梁榫头下沉约10cm,如划圈部分所示。该顺梁长5 55m,截面尺寸0 695m 0 53m,承受上部梁架传来的集中荷载440kN,荷载作用位置在距童柱1 07m 的位置。经过计算可知:该顺梁Mises 应力最大值发生在榫头,值为16 9MPa,不满足 木结构设计规范 (下同)容许值;该正身顺梁最大弯矩发生在榫头,值为0 317e6N m,由于榫头截面面积仅有其它位置面积的1 4左右,对该截面进行抗弯计算后,求得弯应力为33MPa,不满足 规范 容许值;顺梁最大剪力发生在榫头位置,剪力值为384424N,在该位置产生相应剪应力为6 1MPa,不满足 规范

容许值。

图11(a) 加固前顺梁整体照片

Fig 11(a) Photo of front beam before strengthening

图11(b) 加固前顺梁卯榫节点现状照片Fig 11(b) Photo of tenon -mortise joint of front beam

图12为顺梁加固后的照片资料。顺梁下由三

根0 3m 0 3m 的硬松木组成类似龙门戗的结构作为支顶,横梁与斜戗采用1mm 厚钢板与M25螺栓连接固定。斜戗底部与童柱的固定方法为:在童柱底部设置12c m 高,10mm 厚钢箍,底部钢板一侧与钢箍焊牢,另一侧与斜戗下部用M25螺栓固定。由于顺梁传给龙门戗顶部的荷载通过两个斜戗传到童柱底端,为防止两根童柱底部因受力产生外张,通过设置两根直径为18mm 的R235钢筋加工制成的花篮螺丝来对童柱进行拉结。为增加荷载作用端卯榫节点的抗剪能力,在该端设置110mm 8mm 规格的抗剪角钢。经过计算分析,加固后顺梁最大Mises 应力发生在榫头,仅为3 85MPa,满足 规范 容许拉应力要求;最大弯距值位置在端部,值为111622N m,相应弯应力为11 7MPa,满足 规范 容许弯应力要求;最大剪力280147N,分别由顺梁和角钢承担,满足 规范

容许剪应力要求。

图12(a) 加固后顺梁照片

Fig 12(a) Photo of front beam after strengthening

图12(b) 加固构架下脚照片

Fig 12(b) Photo of root o f strengthening members

算例三:天安门城楼角檐柱墩接加固计算[6]

。

根中国林科院对天安门城楼柱子的勘查分析,天安

门城楼东北角外檐柱局部出现腐朽并呈空洞状,该柱子直径650mm,在柱高0 5m 、径向深度110mm 内局部严重腐蚀,柱高1 0m 处,自表面到内部深处有

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局部重腐。经研究采用墩接方案进行加固,即采用

新料代替腐朽部分,将墩接部分沿柱子截面分成两个部分,每个部分各为半个圆柱,错缝搭接500mm,分两次墩接加固。经过计算,屋面传到角柱的压力为27t,而墩接的半个圆柱的受压能力为62t,满足抗压要求。此外,为了使墩接柱根新旧料形成受力整体,在墩接柱部位上下端各加一根直径为20mm 的螺栓,在墩接部位自下由上设置3道铁箍(下部为100mm 5mm,上面2道为150mm 5mm),铁箍卧入柱内,以便于柱子油饰施工,铁箍中部每200mm 钉一根直径为10m m 、长为120mm 的铁钉,铁箍搭接长度为150mm,如图13所示。该墩接方案于1999年施工,

至今未发现任何问题。

图13 天安门城楼角柱墩接示意图Fig 13 Dun -Jie technique for a corner colum n of

Tian Anmen Rostrum

算例四:某木梁采用CFRP 加固,木梁尺寸为100mm 200mm 2400mm,两端被约束,荷载P =10000N,施加在梁中部节点单元上。木梁材料为杉木,其弯曲强度为65 67MPa,顺纹抗压强度为42 25MPa,顺纹抗拉强度为79 73MPa,弹性模量为10 28GPa 。C FRP 相关参数为:抗拉强度3000MPa,

弹性模量210GPa,断裂伸长率为1 43%,单层厚度为0 111mm,共三层,排列角度分别为0度、90度、0度,长、宽尺寸同木梁底面。利用ANSYS 软件中的

SOLID95单元模拟木材、SHE LL99单元模拟CFRP 材料,计算模型如图14(a)所示,部分结果如图14(b)和图15

所示。

图14 木梁加固前

Fig 14 Before strengthening of tim ber beam

经过计算分析可知:加固前木梁跨中最大挠度

为13 205mm,加固后木梁跨中最大挠度值为

11 377mm,减小了1 83m m;加固前木梁跨中的最大

主拉应力为24 187MPa,加固后木梁跨中最大主应力则为20 337MPa,降低约16%;逐级加载中,未加固的木梁在P =26500N 时产生破坏,而C FRP 加固的木梁在P =28500N 时才产生破坏,破坏荷载值增大约7 5%。显而易见,采用C FRP 加固木梁,可有效提高木梁刚度、增大破坏荷载。5 结语

本文分析了木结构古建筑的不同破坏形式,列举了几种常用的加固方法并进行了理论分析。计算表明:根据木结构不同的破坏症状,采取合适的加固方法均可有效提高古建筑木结构的力学性能。随着对古建筑木结构的保护研究进一步深入,其加固方法将更加趋于安全、经济和高效。

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图15 木梁加固后

Fig 15 After strengthening of timber beam

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[作者简介] 周乾(1975~),男,湖南人,博士生,主要从事古建筑抗震及振动控制研究;E-mail:zy-7225@yahoo.com.cn (上接第101页)

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[作者简介] 姚南(1984~),男,重庆人,硕士,从事在役桥梁钢结构检测、评估及加固研究,E-mail:yn06@mails.thu.edu.cn

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