铁件加固技术在古建筑木结构中应用研究

周 乾,闫维明

(1.北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室,北京100124;2.故宫博物院,北京 100009)

我国的古建筑主要以木材为原料建造而成。千百年来,它们能够历经各种自然灾害而完整保存下来,这与木材良好的抗弯、抗压及抗震性能密切相关。然而,由于木材又有徐变大、弹性模量低、易老化变形等缺点,这使得在外力作用下古建筑容易产生各种破坏,如梁架变形、梁柱开裂、节点拔榫等,因此需要进行加固。铁件材料由于具有体积小、强度高等优点,因而自古以来便成为古建筑木结构加固的主要技术手段。

不少文献对铁件加固古建筑木结构的技术进行了探讨,如文献[1]对故宫太和殿某梁架榫头下沉的原因进行了分析,提出了采用铁件+木支撑进行支顶的方案;文献[2]以四川省某古建筑为例,研究了汶川地震作用下该古建筑采用马口铁加固后的抗震性能;文献[3]对扁铁加固榫卯节点技术进行了试验论证并肯定了加固效果;文献[4]对应县木塔普柏枋和梁袱节点残损机理进行了分析,提出“插筋法”增强古建筑木构件的横纹局压承载力的技术。然而,关于铁件加固技术在古建筑木结构的具体分类,以及技术存在的优缺点,相关研究甚少。基于此,本文将对铁件加固技术在古建筑木结构的应用进行归纳分析,并提出相关建议,为古建筑保护提供理论参考。

1 加固技术分类

基于工程勘查经验及相关文献成果,古建筑木结构采用的铁件加固技术大致可分为如下4类。

1.1 铁箍加固

主要用于梁、柱构件加固。对于柱而言,埋设在墙体内的柱子缺乏通风,或外露的柱根经常受雨水侵蚀时,将产生糟朽;柱子长期承受上部荷载时,将产生过大裂缝。对此采取的加固技术为:对于开裂的柱子直接用扁铁包裹,然后用铆钉固定;对于糟朽的柱子,将糟朽部位截除,换上相同尺寸的新料,然后用扁铁进行包裹,用铆钉固定,古建工艺称之为墩接,见图1所示(虚线为加固位置)。对于梁而言,当梁身产生开裂时,也采用铁箍对梁身进行包裹,然后用铆钉进行固定的加固方法,见图2所示(虚线为加固位置)。关于铁箍尺寸,清《工程做法》卷五十一规定:“凡铁箍以木料外围尺寸定长厚宽尺寸,如外围凑长三尺,即箍长三尺”[5]。铁箍加固法主要通过铁箍的核心约束作用来提高构件的强度和刚度。

图1 柱加固

图2 梁加固

1.2 铁片加固

主要用于榫卯节点加固。榫卯连接是中国古建筑的特点之一,即构件的一端做成榫头形式,插入另一构件预留的卯口内实现连接。在外力作用下,一方面榫头从卯口中拔出可耗散外部能量,减小结构破坏;另一方面,拔榫削弱了构件间的联系,使结构稳定性降低,因而需要加固。对于图3所示用于梁柱连接的燕尾榫节点,通常采用厚约5 mm～15 mm的铁片连接,然后用铆钉固定。而对于图4所示的半榫节点,由于柱的卯口完全被贯穿,且插入的榫头为容易拔榫的直榫形式,因而采取的加固方法为用5 mm～20 mm厚的铁片从卯口上下端分别拉结榫头,然后用铆钉固定的做法(虚线为加固位置),古建工艺也称为“过河拉扯”。清《工程做法》卷五十一规定[5]:“凡过河拉扯按柱径加二份定长”,“每长一尺,用平面钉五个”。上述作法中,节点的部分承载力主要由固定铁片的铆钉承担。

图3 燕尾榫节点加固

图4 半榫节点过河拉扯做法

对于图5所示的檩头节点,由于榫头和卯口所属构件均为水平向,因此通常采用的加固方法为将铁片两端削尖并做成弯钩形式,钉入檩头内,通过铁片的弯钩部分对木构件的约束作用来限制檩头的水平拔榫。

1.3 铁钩加固

主要用于顶棚及藻井爬梁加固。以顶棚为例,古建顶棚通常由帽儿梁(大龙骨)、小龙骨及天花板组成,其中帽儿梁为顶棚主要承重构件,帽儿梁两端则搭接在构架承重梁(如五架梁、七架梁)的侧面,搭接长度通常很难满足抗剪要求。一般在帽儿梁的两端采用铁钩加固。清《工程做法》卷五十一也有规定:“凡帽儿梁每根用挺钩八根,其长径临期拟定”[5]。铁钩的一端固定在帽儿梁上,另一端固定在与帽儿梁连接的承重梁上,见图6所示。铁钩固定的方式为:铁钩端头削尖直接钉入构件内,或端头打卯孔再用铆钉固定在构件上。这种加固方式实际通过铁钩端头或铆钉约束力来提供部分抗剪承载力。

图5 檩头节点加固

图6 顶棚加固

1.4 铁钉加固

铁钉主要包括固定角梁的穿钉,固定山花板的蘑菇钉,固定连檐、椽子的镊头钉、用于墙板拼接的两尖钉等[6],主要用于小型构件的拉结。实际工程中的加固做法为:用铁钉将这些小型构件进行拉结,铁钉承担部分拉、压、弯、剪力。

2 加固算例

为详细说明铁件加固技术在古建筑木结构工程中的应用,下面通过几个算例进行分析。

算例1:天安门城楼角檐柱墩接加固计算[7]。根据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0.65 m,在柱高0.5 m处径向深度0.11 m内局部重腐,柱高1.0 m处自表面到内部深处有局部重腐。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0.5 m,分两次墩接加固。经过计算,屋面传到角柱的压力为27 t,而墩接的半个圆柱的受压能力为62 t,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20 mm的螺栓,在墩接部位自下由上设置3道铁箍(下部为100 mm×5mm,上面2道为150 mm×5 mm),铁箍卧入柱内,以便于柱子油饰施工,铁箍中部每200 mm钉一根直径为10 mm、长为120 mm的铁钉,铁箍搭接长度为150 mm,如图7所示。该墩接方案于1999年施工,至今未发现任何问题。

图7 天安门城楼角柱墩接示意图

算例2:四川省广元市大雄宝殿榫卯节点抗震加固计算。2008年汶川地震中,该古建筑前后檐双步梁与金柱相交处柱头严重倾斜,最大值达到0.18 m,见图8(a)所示。计算结果表明[8]:柱头大尺寸侧移的主要原因是上述位置所在榫卯节点的拔榫造成的。因此,在确定结构加固方案时,可考虑基于结构变形现状,加固前后檐拔榫的双步梁,加固方案见图8(b)所示,具体做法为:①雀替下木共原有通榫插入金柱,首先对双步梁进行支顶,将小木共拆除;②加固铁件一端固定在双步梁底皮,另一端用垫片、螺栓与金柱卯口卡住拧紧固定;③将木共榫上部刻槽使Φ 12铁筋能够埋入,并将木共内侧放置垫片和螺栓处局部剔除;④铁活安装完毕后将木共归位;⑤加固铁件涂刷无色防锈漆两道。

通过对加固前后的构架进行模态对比分析,发现加固前构架的振动形式以扭转为主,位置在挑檐檩高度,而上部梁架几乎保持不动,与震害勘查的结果基本吻合,见图8(c)所示;而加固后的构架振动形式以x或y单向平动为主,体现了较好的抗震性能,见图8(d)所示。另通过时程对比分析,发现加固后的构架在地震作用下位移响应及加速度响应远小于加固前[9]。由此可知,上述加固方法可减小构架的地震响应并提高其抗震性能。

图8 榫卯节点加固方案

算例3:故宫太和殿藻井爬梁加固计算[10]。在进行故宫太和殿大修勘查时,研究人员发现太和殿蟠龙藻井整体下垂0.1 m,支撑藻井的爬梁北侧端头劈裂,裂缝长占梁的1/2左右,端头开裂宽0.03 m～0.05 m,深0.25 m。该井口爬梁裂缝由藻井与爬梁相交处延伸至榫头,而且开裂位置曾经进行过加固,见图9(a)所示。另井口爬梁长8.46 m,截面尺寸0.30 m×0.36m,两端做半榫刻口搭在天花枋上。通过对藻井进行挠度分析表明:当不考虑弹性模量折减时,藻井的最大挠度值仅0.015 m;而考虑长期荷载作用下木材的弹性模量折减时,藻井的最大挠度值达0.05 m。由于该值小于藻井目前的下沉值0.1 m,因此推测藻井的大挠度很可能由于井口爬梁开裂破坏所致。通过进一步计算可知,藻井第一主应力峰值产生在井口爬梁端部位置,其值为26.7 MPa,见图9(b)所示,该值超过了《木结构设计规范》规定的木材顺纹抗拉强度容许值(8.5 MPa)。因此,在长期荷载作用下爬梁端部很可能发生局部受拉破坏而导致开裂。经计算分析,采用2道120 mm(宽)×6 mm(厚)扁铁箍对井口爬梁进行加固,扁铁在梁底用直径为20 mm的螺栓进行固定,以提高井口爬梁的抗压及抗弯承载力,见图9(c)所示。

图9 藻井井口爬梁加固分析

3 讨论与建议

3.1 存在问题

铁件加固技术虽然在一定程度上可提高古建筑结构的强度和刚度,但也存在如下问题:

(1)锈蚀:铁件长期暴露在潮湿的空气中时,会生成氧化铁并产生锈蚀,结果造成铁件本身松动或者断裂,降低加固部位的强度和刚度,甚至有可能威胁结构整体安全。如图10所示加固柱子的铁箍,在长时间氧化作用下已产生锈蚀,加固件已完全松动、脱落,失去了对柱子的保护作用。由此可知,铁件锈蚀是铁件加固技术所需解决的一个重要问题。

图10 铁件锈蚀

(2)破坏木构件:传统的铁件加固技术一般是采用铁箍包裹木构件,然后用铆钉嵌入木构件内进行固定;或者是将铁件直接钉入木构件内,通过对构件拉接来提高节点强度。上述加固方式对木构件往往会产生破坏作用。如图11所示拉结檩头节点的扒锔子,在提高节点强度的同时,也造成了檩头开裂,从而形成新的结构安全隐患。

图11 破坏构件

(3)不可逆性:如上所述,铁件加固木结构往往通过“嵌入”或“固定”的方式达到加固的目的。这种不可逆加固技术不仅不利于加固件的检修或更换,也不利于木结构的保护。在古建筑实际工程中,当加固件老化锈蚀或者加固位置产生新的破坏时,原有的加固件由于死死固定已无法拆除更换,通常只能再次选用铁件进行二次或多次加固,结果造成了某些构件“遍身补丁”(见图12所示),影响了加固效果。

图12 不可逆加固法造成的二次加固

3.2 加固建议

基于上述存在的问题,对铁件加固技术在古建筑木结构工程的应用有如下建议:

(1)合理的加固方式:即铁件不仅能满足加固要求,而且对木结构无破坏,且符合可逆性即可灵活装拆更换的原则。如故宫博物院与北京工业大学联合开发的一种适用于古建筑木结构榫卯节点的加固装置[11],该装置包括有一个用于套住、固定梁的组件1和一个用于套住、固定柱的组件2。组件1与组件2由连接件固定连接,组件1包括有两个能对称扣合锁固在梁表面的扁钢卯与扁钢榫,组件2包括有两个能对称扣合锁固在柱表面的扁钢卯与扁钢榫,相关尺寸及照片见图13所示。具体加固方法为:将组件1套在梁端,将组件2套在柱身,梁、柱钢箍的伸长部分被置于梁端顶部位置并开孔用螺栓固定。由于梁、柱钢箍均为榫头卯口形式,安装时仅需将榫头与卯口扣住即可,安装后钢箍榫头与钢箍卯口拉紧。随后用螺栓穿过加固梁、柱的钢箍并用螺母拧紧。这种“包裹”形式的加固方法实际上利用钢箍与木材表面的摩擦力来抵抗部分拔榫力,同时钢箍梁提供附加支座来预防木梁因拔榫过大造成的局部失稳,因而适合于不同破坏程度的节点。由于该加固件是可拆装的且摩擦力大小可通过对螺母的拧紧程度进行控制,因此具有拆装方便,保护木材等优点。此外,螺栓、螺母的位置在梁顶正中部,参观者站在地面不易察觉,因而保证了节点的外观不受影响。图13(c)为采取这种加固技术对某古建筑木结构框架模型进行低周反复加载试验的M-θ骨架曲线,其中B代表加固前,A代表加固后,易知采取这种加固方法有效地提高了节点的承载力和刚度。

图13 一种榫卯节点加固方法

(2)材料替代:针对铁件容易锈蚀的问题,可考虑采用其它加固来进行替代。如环氧树脂具有粘附力强、固化方便、化学性能稳定等优点,对开裂的木构件具有较好的加固作用[12];碳纤维布材料(CFRP)作为一种新型加固材料,具有抗拉强度大、韧性好、施工方便、抗腐蚀性强等优点,当用它包裹在梁、柱、节点表面时,通过对加固部位的约束作用来达到加固目的,试验已证明这种材料对古建筑木结构具有良好的加固效果[13～15]。

4 结 论

本文对铁件加固技术在我国古建筑木结构中的应用进行了分类汇总,对加固效果进行了计算分析,对技术的优缺点进行了客观评价。结果表明:铁件加固技术在一定程度上可提高古建筑木结构的强度和刚度,是我国古代劳动人民的智慧总结。但从长远角度看,该技术存在铁件易锈蚀、破坏木构件、不可逆性等问题。随着科技的发展,铁件加固技术将趋于更加合理化,而新型加固材料的不断运用,使得古建筑的保护不断趋于完善。

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