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古建筑物的主要破坏形式及其加固维修方案

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一、

这些古建筑是我国的重要历史文化遗产,但由于受到环境温湿度变化的长期影响及木材本身的缺陷,木构件中产生了开裂的现象,使得构件的承载力降低,进而影响整个结构的安全,因此对这些构件进行加固非常必要。

木梁作为木结构中的主要受力构件,其受力性能对整个结构安全至关重要。由于木材是一种各向异性的自然材料,其顺纹抗剪强度和横纹抗拉强度很低,且古建筑中的木梁由于处于荷载长期作用,木梁中产生沿纵向的裂缝。


二、木梁的主要破坏形式

古建筑中的木梁由于受到自然环境的长期作用及服役时间长,其物理力学性能会下降,因而产生不同的破坏类型,主要包括如下3种破坏形式。

1、腐朽破坏

对于长期处于潮湿环境中的古建筑木梁,会发生构件的腐朽破坏,例如屋面的角梁:

腐朽破坏

腐朽破坏

由于角梁的位置在屋面,当屋面漏雨时,会因为积水而对木梁产生腐朽破坏。腐朽会造成梁构件的抗拉、压、弯、剪等截面面积的减小,从而导致其承载力降低,对整个木结构非常不利。

2、开裂破坏

木梁中主要会产生两种裂缝。一种为由于木材横纹抗拉强度和顺纹抗剪强度低导致的沿木梁纵向的受力裂缝,该裂缝一般尺寸较大:

开裂破坏

开裂破坏

一种是由于构件在制作当时含水率较大,又由于环境中含水率的变化,木梁中的水分会和环境中的水分含量达到平衡,在这个过程中,木梁表面会产生干缩裂缝。裂缝会使木梁的材质下降导致其抗拉、压、弯、剪等性能降低,木梁在荷载作用下初始裂缝会进一步开展。

3、拔榫破坏

古建筑中连接(梁与梁之间及梁与柱之间)主要采用榫卯连接的形式,这些连接作为结构的重要组成部分,其力学性能对整个结构的性能至关重要。在长时间外力作用或木材本身收缩等因素影响下,这些连接处很容易发生拔榫破坏:

拔榫破坏

拔榫破坏

拔榫使得梁、柱构件有效受力截面面积减小,容易产生受拉、压、弯、剪破坏,对结构整体性造成一定影响。

三、木梁加固方法

1、古建筑木梁加固原则

我国的古建筑保护主要依据以下三部法规施行。首先为保护文物建筑及历史地段的国际宪章中规定的古建筑保护原则,主要为1964年在意大利威尼斯通过的《威尼斯宪章》,宪章指出“修复过程是一 个高度专业性的工作,其目的旨在保存和展示古迹的美学与历史价值,并以尊重原始材料和确凿文献为依据。”

当加固对象为与社会公益相关的文物建筑时,宪章规定“决不可以变动它的平面布局或装饰”。其次为1982年国家颁布的《中华人民共和国文物保护法》,它将文物保护的概念纳入法律范畴;在1992年9月发布了国家标准《古建筑木结构维护与加固技术规范》,其中规定“古建筑的维护与加固,必须遵守不改变文物原状的原则。原状系指古建筑个体或群体中一切有历史意义的遗存现状。若需恢复到创建时原状或恢复到一定历史时期特点的原状时,必须根据需要与可能,并具备可靠的历史考证和充分的技术论证。”

由以上综述可知,古建筑木梁加固主要遵循历史建筑保护的“原真性、必要性和可逆性”,最大限度地保持古建筑的原有风貌,满足“修旧如旧”的修缮原则。

2、 已有工程中的修复方法

(1)剔补和嵌补

剔补的方法是直接将构件中的腐朽部分清除,经防腐处理后根据原尺寸形状补上干燥木材,并用耐水性胶黏剂粘牢;

剔补的修复方法

剔补的修复方法

嵌补的方法适用于梁的水平裂缝深度小于梁宽或直径的1/4时,用木条和耐水性胶黏剂粘牢,并将缝隙粘贴严实。剔补和嵌补的修复方法仅在外观上对构件有一定修复作用,但难以恢复木梁的整体工作性能,不是一种行之有效的修复方法。

(2)加铁箍加固

可在木梁的表面进行铁件环箍处理来修复木梁,该对受损构件进行修复加固方法的工程应用历史较悠久,在清代的《工程做法》中就有关于加铁箍对木构件进行修复的详细规定。该方法对木梁的修复有一定效果,但是铁件容易锈蚀,锈蚀后的加固效果会大大削弱。

(3)下撑式钢拉杆加固

下撑式钢拉杆加固木梁的形式较多,下图左列出了一种较简单的加固形式,该方法一般适用于加固 截面小、承载力不足或者挠度过大的梁。在加固前,需检查木梁端头的材质是否腐朽或虫蛀,只有在材质较完好的条件下才能保证拉杆的固定牢靠。

(4) 夹接、托接方法加固

对于梁端木材发生腐朽、虫蛀时,可采用夹接或者托接的方法来加固木梁。将木梁进行临时支撑,当多个楼层的梁加固时,各支撑点应上下对齐,在临时支撑完成后,锯去木梁损坏的部分,采用夹接、托接方法进行加固,下图右为该方法的示意图。这种加固方法对构件的外观影响较大,不适用于对外貌有严格要求的建筑。

下撑式钢拉杆加固(左)及夹接加固方法(右)

下撑式钢拉杆加固(左)及夹接加固方法(右)

由以上综述可知,已有工程中的修复方法不能实质上增强木梁的整体工作性能,或者在环境长期作用下存在耐久性问题,或其仅适用于木材本身材质较好的情况,或对构件的外貌影响较大,这些修复方法均存在不足和局限性。

3、现代加固技术

(1)纤维布加固木梁

纤维布由于其几何可塑性强及自重轻等特点而广泛应用于木结构的加固,纤维布沿其纹路方向的抗拉强度很高,而木材的顺纹抗压强度较高,在FRP加固的木梁中,这两种材料的性能都能得到很好的利用,并且材料间具有良好的粘结性能,能够很好地协同工作。

FRP加固木梁

FRP加固木梁

(2)自攻螺丝加固木梁

自攻螺丝是一种随着现代工艺发展而制造出的新型的产品,由于其带有自攻钻头,能方便贯入木梁中而不影响木梁本身的性能,自攻螺丝的抗拉强度较高,当其沿着垂直木材横纹方向贯入木梁中时,能和木材间建立良好的粘结,提高木梁的横纹抗拉能力和顺纹抗剪能力,增强木梁整体工作性能,从而达到提高木梁承载力的作用。

自攻螺丝及其与木材间的粘结

自攻螺丝及其与木材间的粘结


4、结语

本文分析了古建筑木梁可能发生的破坏形式,并对其修复加固方法进行了详细的评述,在此基础上提出了一种新的修复木梁的方法。主要结论可总结如下:

1) 古建筑木梁由于木材本身的缺陷或者环境的长期作用,容易发生腐朽、开裂及拔榫破坏等现象。

2) 已有工程中有许多修复加固木梁的方法,但均有其局限性,并不能广泛适用于木梁的修复加固。

3) 已有相关研究表明FRP 在修复加固木梁方面有良好的效果,对其承载力、刚度和延性均有一定提高。

4) 自攻螺丝作为一种新型修复加固木梁的方法,通过增强木梁的整体工作性能达到较好的修复效果,并且施工方便,施工完成后对外观完全没有影响。


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