建筑木結(jié)構(gòu)加固技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

沈江元，毛信芳

（1.北京維拓時代建筑設(shè)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(jié)構(gòu)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(yuǎn)的意義[1]。但由于自然環(huán)境下，木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)加固的研究，大量的木結(jié)構(gòu)建筑都無法保存至今。再者，木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)加固的研究不僅可以貢獻(xiàn)于古建筑的維護(hù)，還有利于形成標(biāo)準(zhǔn)的木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計規(guī)范，降低建筑因各種原因損壞的風(fēng)險。近代以來，大量國內(nèi)外學(xué)者都投身到木結(jié)構(gòu)加固、維護(hù)的研究工作中，并取得了巨大的進(jìn)步。現(xiàn)代的加固方法對木結(jié)構(gòu)建筑本身會有一定的損壞性和不可逆轉(zhuǎn)性，要使木結(jié)構(gòu)古建筑能更加長久的存在，現(xiàn)在的水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。在之前研究的基礎(chǔ)上，推動木結(jié)構(gòu)加固的不斷發(fā)展是建筑相關(guān)人員不可推卸的責(zé)任。

1 木結(jié)構(gòu)建筑加固研究的發(fā)展歷程

我國木結(jié)構(gòu)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(hù)原則[4]。在我國經(jīng)濟(jì)和科技高速發(fā)展的大環(huán)境下，國內(nèi)將新材料、新技術(shù)應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》等專門的規(guī)范性文件[4]，各種木結(jié)構(gòu)加固性能的研究成果也陸續(xù)出現(xiàn)。

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

一般情況下，針對木結(jié)構(gòu)，常用的主要加固方法以減小截面的應(yīng)力為目的，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)的受力體系[5]（如增加支撐法等），降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力，通過上述2 種方法，結(jié)構(gòu)安全性得到提高。

隨著研究和實踐的深入，工程界認(rèn)識到，應(yīng)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(shù)與現(xiàn)代加固方法結(jié)合起來，通過不斷的試驗、實踐形成完善的木結(jié)構(gòu)建筑加固體系。

2 木結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(dǎo)致構(gòu)件開裂[5-7]。當(dāng)裂縫較短時，可直接用鐵箍箍牢；當(dāng)裂縫較深時，則需要采用嵌補(bǔ)加固法，同時加設(shè)鐵箍。

（2）木材腐朽。木材長期處于潮濕溫?zé)岘h(huán)境，極易滋生昆蟲、菌類等生物，導(dǎo)致木構(gòu)件腐蝕，常見位置為柱根。根據(jù)腐蝕情況的嚴(yán)重程度，傳統(tǒng)加固方法可分為剔補(bǔ)、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(dǎo)致?lián)隙炔粷M足規(guī)范要求。當(dāng)梁枋構(gòu)件撓度輕微，不影響正常使用時，傳統(tǒng)方法為將構(gòu)件旋轉(zhuǎn)180°繼續(xù)使用[2]。當(dāng)撓度較大時，則需要使用支頂法來進(jìn)行加固。

（4）榫卯節(jié)點破壞。木結(jié)構(gòu)建筑中，榫卯節(jié)點為木結(jié)構(gòu)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(fù)荷載作用下進(jìn)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(qiáng)度和剛度退化規(guī)律及變形和能耗等性能指標(biāo)。研究結(jié)果表明：扁鋼加固構(gòu)架剛度最大，未加固構(gòu)架剛度最小。扁鋼加固木構(gòu)架榫卯節(jié)點的方法可以顯著提高節(jié)點的強(qiáng)度和剛度，而碳纖維布加固方法對于木構(gòu)架榫卯節(jié)點的強(qiáng)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(qiáng)度明顯不足的構(gòu)件。

3 現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)加固采用的基本方法

3.1 整體加固

木結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫、糟朽、彎垂和拔榫等現(xiàn)象后，會進(jìn)一步導(dǎo)致建筑構(gòu)架損傷。對于不同殘損程度的建筑構(gòu)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(gòu)件損壞且屋架完好時拆除瓷磚、維修和加固受損構(gòu)件的措施。

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

（3）屋頂支撐是當(dāng)部分構(gòu)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(fù)位傾斜、扭轉(zhuǎn)和拉榫構(gòu)件，更換和修復(fù)損壞構(gòu)件的措施。

（4）落架大修適用于梁架構(gòu)件嚴(yán)重彎曲、開裂、腐朽的情況，對全部或部分構(gòu)件進(jìn)行修補(bǔ)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(gòu)架完整性。應(yīng)該指出的是，這些修復(fù)方法會對建筑物的原始風(fēng)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(gòu)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(dāng)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(jì)60 年代，美國學(xué)者Wangaard[14]首次將CFRP 運(yùn)用到木結(jié)構(gòu)加固中，并進(jìn)行了CFRP 加固木梁的試驗研究。FRP 彌補(bǔ)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(bǔ)加固法。嵌補(bǔ)加固法主要用于木構(gòu)件產(chǎn)生干縮裂縫，且損壞不大（構(gòu)件的水平裂縫深度小于梁寬或梁直徑的1/4）的情況。基本方法為通過耐水性膠水和木條將裂縫縫隙粘結(jié)嚴(yán)實，再用鐵箍等箍緊。當(dāng)木構(gòu)件僅表層受到腐蝕時，也可先將表層去除，再采用嵌補(bǔ)加固法。國外學(xué)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(fù)木材腐爛、裂縫和其他損壞，可以避免修補(bǔ)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(hù)后的木構(gòu)件2 部分受力狀況差別較大，因此受力性能相較于原構(gòu)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(jī)模擬結(jié)合的方法，研究了古建筑鐵件加固技術(shù)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(jié)構(gòu)的原有狀態(tài)；三是嚴(yán)重地影響建筑的美觀。

（4）支頂加固法。通過支撐木結(jié)構(gòu)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(diào)整所加固木梁的內(nèi)力分布，以提高木梁的承載力。

然而，該方法將改變整個結(jié)構(gòu)的傳力系統(tǒng)，當(dāng)需要更換構(gòu)件時，需要卸除荷載，對其進(jìn)行“落架”，這種方法容易對部件甚至整個結(jié)構(gòu)造成損壞，而且是不可修復(fù)的。

（5）化學(xué)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(xué)試劑能有效預(yù)防此類情況，保證木材的性能。木材防腐劑一般應(yīng)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(jìn)一步加工等要求。

化學(xué)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(jié)構(gòu)影響較大。

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

FRP 加固木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑的外觀影響較小，同時FRP 具有自重輕、強(qiáng)度高、耐酸性、易操作和抗腐蝕等優(yōu)點[22-23]，可以提高木構(gòu)件的承載力、剛度和延性[5-6]，是木結(jié)構(gòu)建筑加固領(lǐng)域未來重要的發(fā)展方向之一。隨著FRP 加固木結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(jìn)行了研究。王增春發(fā)現(xiàn)相較于未進(jìn)行預(yù)彎的梁，預(yù)彎梁加固后強(qiáng)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(jié)構(gòu)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了粘結(jié)界面粘結(jié)剪應(yīng)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(jìn)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(jié)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(jìn)行了基于不同材料，F(xiàn)RP 加固木柱的試驗研究。試驗結(jié)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(shù)的結(jié)合，能起到良好的加固效果，同時還能避免柱根的進(jìn)一步腐朽；基于榫卯節(jié)點對木結(jié)構(gòu)抗震性能的重要性，張風(fēng)亮等[31-32]、陸偉東[33]、盧晨怡[34]則進(jìn)行了FRP 加固殘損節(jié)點的試驗研究以及木結(jié)構(gòu)整體抗震性能的研究，但由于節(jié)點受力的復(fù)雜性及各方面因素的影響，并未取得很好的結(jié)果，仍需深入研究。

4 思考與展望

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

（2）對于古建筑的修復(fù)，要遵循最小干預(yù)準(zhǔn)則。在修復(fù)和加固損壞（如糟朽和裂縫）時，應(yīng)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(gòu)件應(yīng)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(shù)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(jié)構(gòu)的重要組成部分，在木結(jié)構(gòu)建筑中對減震耗能起到了至關(guān)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(yīng)的模擬分析方法仍有待進(jìn)一步研究。

（4）FRP 材料的應(yīng)用，實現(xiàn)了在對建筑盡量少的干預(yù)下，最大程度發(fā)揮材料的性能，是木結(jié)構(gòu)加固的發(fā)展方向之一，但如何保證FRP 加固木結(jié)構(gòu)的耐久性，確保FRP 在使用中的長期性能，應(yīng)進(jìn)一步驗證。

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

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