旧木桁架加固工程例解

张鹏程　苏钊艺

(厦门大学建筑与土木工程学院　福建厦门　361000)



旧木桁架加固工程例解

张鹏程苏钊艺

(厦门大学建筑与土木工程学院福建厦门361000)

因砖石墙体、大木屋架耐久性较好，在我国各地村镇，仍有许多上世纪六、七十年代建造的大跨度木屋架结构，其主体结构一般无明显颓坏，局部因漏雨、虫蛀出现糟朽较常见。为节省开支，对其进行必要的修缮后还可以继续使用。以福建厦门某村礼堂料石墙-木桁架结构检测、鉴定、加固工程为例，介绍对此类结构效果较好的加固方法,包括对老结构性能的判断分析方法，及碳纤维等新材料用于木结构加固的几点注意事项。

加固改造；料石墙-木屋架结构；碳纤维

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0　引言

木材具有价格便宜、简单易用，性能优良等优点，历来被作为主要建筑结构材料[1]。目前我国仍保存有大量木结构的民宅、桥梁、寺庙、塔楼等结构。因砖石墙体、大木屋架耐久性较好，在我国各地村镇，仍有许多上世纪六、七十年代建造的大跨度木屋架结构，其主体结构一般无明显颓坏。2014年2月，浙江金华磐安县万参乡一婚礼现场的木结构礼堂发生坍塌，造成多人伤亡的重大事故。看似完好的旧木屋架，如果疏于检修，也会酿成坍塌事故。这些老旧房屋中，有的有纪念意义或有文物保留价值，需要保护、修缮；有的仍然是村上最好的公用建筑，作为礼堂、会堂、电影院等公共集会场所，但因为缺少资金而无力翻建。检测、维修、加固，可以在现有大部分材料仍可继续使用的基础上，以最低的资金投入延长该建筑安全使用年限。同时，由于建材资源不容浪费，拆旧筑新必然破坏原有建筑时代文化色彩，同时又会造成新的浪费。本着绿色环保的理念，对耐久性很好的老建筑进行改造、维护、加固，已经成为全球许多历史名城最普遍采用的方法。如，伦敦、罗马等，老建筑是历史文化的载体，是城市的标志，很少被拆除换新。关注老建筑的修缮加固与研究新材料、新结构一样，都是结构工程师需要开展的工作。

1　老建筑结构加固的一般方法[2]

对于一幢老建筑，按常理，首先要进行必要的现状信息采集，试验检测其材料现状性能，测量变形、位移、倾斜等状况，对现有结构安全性能作出判断，即检测与鉴定。

检测，需要根据结构具体状况来确定检测项目，有的需要勘探地基的恶化，有的需要测量柱、墙等承重结构的倾斜，有的需要检测材料力学性能的退化，因试验费用不菲，需要结构工程师选择最为必要的检测项目，并根据结构受力及变形现状进行必要的验算。

鉴定，对于结构简单、做法成熟的老建筑，鉴定结论宜具体到每个构件或每部分部件，而不宜只作出一概而论的“危房”或“安全”的、没有实际价值的结论。

加固，一般需要在不改变原有建筑风貌的前提下，对已经退化或破坏的构件进行替换、更新、补救、加强；也可以采用减少荷载、改善结构整体性、增强结构抗震性能以及通过地基加固和基础托换以改变结构处理路径、增加子结构或辅助结构等不限于局部构件的结构整体加固方案。构件及结构的变形恢复及位移纠正尤为重要，与构件材料强度退化相比，过大的变形、位移、倾斜及支座错位更容易引起结构坍塌。

2　工程实例

此处例举一座位于福建沿海地区的料石砌筑墙-钢木屋架的加固改造设计。该建筑是一座1963年修建的单层大跨度石墙木屋架瓦屋面结构，原是用作村民集会的大礼堂，因年久失修，多处漏雨、掉瓦，白蚁侵蚀，门大多破损，已不能承受台风威胁，日渐危险。该建筑虽已无图纸档案，但从现状外观可以看出当时经过了正规设计:墙身带壁柱，用方整料石砌筑；豪式钢木屋架跨度18m，柱距3.5m；木檩条，椽板上铺苏制机瓦形状的水泥瓦。

图1　屋面破洞

图2　屋架及墙体

原结构设计合理，至今仍基本完好，稍作修葺即可使用。50年来，料石墙、豪式钢木屋架尚基本完好，但屋面水泥瓦及木椽板破损严重，随时有掉落危险，屋顶多处漏雨，大木屋架逐渐受到侵蚀。现场照片如图1、图2所示。

经请专家现场考察，认为可以加固修复，并对原建筑风貌予以保留。其中，屋面翻修最为迫切，拟将破旧的重瓦更换为轻质屋面，完善屋面防水，并减轻已遭破坏的大屋架的荷重。同时对下部主体墙体予以检修加固，修理门窗、座椅等，使其可用。另外，从防灾安全考虑，加固改造后的礼堂拟应作为安全的地震防灾避难场所。

2.1结构检测

主要检测以下3个方面:(1)腐烂处：①早期木材腐烂容易出现变色、柔软、吸水和其他现象,裂缝易在腐烂处展开；②当木腐真菌茁壮成长,经常发出难闻的气味;③腐烂表面没有明显的特点时，工人可插入一个刀或用锤子来检查，如果刀很容易插入木材表面,证明了木材腐朽或者用一个锤子砸向木材表面时,木头腐烂的声音往往含糊不清；(2)白蚁:检查白蚁时,如果白蚁发生在结构使用期间或仍然潜伏在木制的部分,必须彻底杀虫和防腐处理,并且应该测试分析结构上的有害影响的条件；(3)木材缺陷:检测木材存在裂缝、弯曲或者其他因素影响木材的属性。

2.2结构鉴定

根据对现有结构的鉴定，发现部分之前进行了修复和加固的构件已损坏，个别需要再次处理；还有部分的构件，需要进一步观察和处理，但不影响结构的安全性。根据检测的结果，可鉴定结构为Ⅱ类建筑。同时还发现了桁架的倾斜小、砌体部分风化、墙体倾斜、水泥砂浆层脱落，可能是限于当时的技术水平,砌筑砂浆的强度较低，结构延性差，又没有采取有效的控制裂缝的措施，导致抵抗不均匀沉降附加应力的能力差,所以外部承重墙的倾向偏大，因此应该对外部承重墙进行加固。

其次，我们确定结构的变形和不稳定性:(1)桁架变形,构件浸湿会影响桁架内部的不稳定性；(2)由于桁架的节点加工影响,导致大变形和桁架平面内下垂；(3)因为桁架的平面外刚度不够,特别是桁架节点的设计错误,导致桁架的平面外失稳。

根据检测和鉴定,发现整体结构尚属基本完整,但部分范围内部分构件已经损坏，如果忽略桁架的受损构件，将会危及建筑的安全使用。这时候,往往采取用新构件替换已损坏的构件,它将确保整个结构的可靠性和安全性。

2.3结构加固[3-6]

2.3.1木屋架加固

本工程最具结构加固价值的做法，即在屋架下弦杆用碳纤维加固。首先对下弦杆构件表面裂缝处进行环氧树脂压力灌浆封闭处理，待材料达到一定强度后，清洗结构或构件表面，通过打磨确定出的粘贴碳纤维布的区域，最后进行碳纤维胶粘。由于是用碳纤维胶粘，可以不破坏下弦杆的材料强度，同时，此种加固方法还具备自重轻、施工方便、耐腐蚀性能良好等优点[7]。一般来说，碳纤维在木结构中加固思路主要有：抗弯加固，利用碳纤维抗拉强度高的特性，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；抗剪加固，把碳纤维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。

碳纤维为现代新型工程材料，抗拉强度比钢材更高，木梁底粘贴碳纤维布后，可使梁弯曲中和轴降至几乎接近碳纤维布顶面，理想情况下，木材将可全截面受压，梁抗弯承载力提高至原来的2倍，梁截面抗弯惯性矩I亦提高至相当于同宽、2倍高的梁，即贴碳梁抗弯惯性矩Icb提高至原梁抗弯惯性矩I的8倍。以碳纤维作为抗拉加强材料，碳纤维嵌植于环氧树脂中形成复合材料，起主要的承载作用。环氧树脂作为树脂基体，将碳纤维聚集粘附在一起，使离散的纤维形成整体，在纤维之间传递荷载，并使纤维协同工作，同时起保护作用。

而在屋架上弦节点处，先对构件进行检测鉴定，若原木构件有腐朽或白蚁侵蚀，剥除糟朽部分，界面刷环氧树脂，以干硬原木镶入，外缠100宽碳纤维布带，表面涂刷防火涂料。对于旧钢筋拉杆，用钢丝去除浮锈，匀刷黑色防锈漆，若锈蚀严重，即直径缩小超过2mm，即在其侧另加一根Φ20钢丝刷，去除浮锈，匀刷黑色防锈漆。屋架上下弦杆加固做法如图3、图4所示。

图3　上弦加固做法

图4　下弦加固做法

碳纤维加固时，应注意以下3点事项：

(1)由于碳纤维布与木材是两种力学性能完全不同的材料,它们粘结在一起能否成功主要取决于碳纤维布与木材之间的粘结性能,在二者粘结性能有保证的前提下,才可以充分发挥各自的优势。如果在加固梁未达到极限承载力时,就发生碳纤维布与木梁界面的剥离破坏,将导致加固的失效。

(2)对于碳纤维加固木梁，局部破坏是不可忽略的杀手，当木梁局部劈裂破坏，其木纤维就像刀刃一样，把碳纤维布切断。因而选择黏贴剂时，不宜用硬脆的刚性胶，以避免降低局部隔断碳纤维的可能性。同时，碳纤维太薄，碳纤维的粘贴需要紧贴，分段或绑扎，端头捆绑自锚固。

(3)对于跨高比较大的木梁，受拉区采用碳纤维加固可以起到很好的效果，跨高比越小，越不明显，此时，针对跨高比较小的木梁，可以考虑同时采用环向包裹的形式进行加固。在木材受弯变形后, 环向包裹对木材施加了可观的环向约束力, 有效地约束了受压区木纤维的开裂。

2.3.2墙体加固

根据《JGJ116-2009建筑抗震加固技术规程》土石墙承重房屋抗震加固时，可不进行抗震验算，土石墙房屋的加固，可根据实际情况采取加固墙体、加强墙体连接、减轻屋盖重力等措施。对墙体采用钢筋网水泥砂浆加固, 其受压承载力的计算公式如下：N=φcom(fA+fcAc+ηfγAs)

式中：φcom为组合砖砌体构件的稳定系数；A为砖砌体的截面面积；fc为水泥砂浆的抗压强度设计值；Ac为砂浆面层的截面面积；ηc为受压钢筋的强度系数，砂浆面层时取0.9；fγ为钢筋的抗压强度设计值；As为受压钢筋的截面面积。

墙体加固采用双面钢筋网，选用Φ6@200×200，用Φ6“S”形穿墙钢筋拉结；单面钢筋网用锚入墙内的Φ6钢筋拉结，间距为800mm，呈梅花状布置。用M10水泥砂浆抹面，厚度为40mm。门窗洞口处为防止开裂，在洞口角部放置Φ8斜向钢筋。经计算，加固后的墙体的受压承载力均能满足要求。墙体加固做法、基础加固做法见图5、图6。

采用钢筋网水泥砂浆面层加固，能有效提高砖墙的抗震承载力。尤其砌体的抗剪刚度大但抗剪强度低，遇有较大剪切荷载(地震时)作用时，容易发生剪摩破坏，即方形砌体沿对角线方向(剪力最大处)开裂破坏，通过钢筋网水泥砂浆面层加固，能有效提高墙体抗剪强度，提高墙体的稳定性，避免裂缝的产生。

图5　墙体加固做法

图6　基础加固做法

3　结语

在中国存在很多旧结构,威胁着人们的生命安全和财产，所以检查、鉴定、加固旧结构在未来会变得越来越重要，特别是老木头结构,我们更应该重点关注其相关问题，例如，白蚁，木材腐朽，木属性的变化等等。在加强旧木桁架结构，工人应该收集必要的结构状态信息，然后测试材料性能，测量变形、位移、倾斜，从而判断建筑和结构的安全性能，我们应该按流程遵循这些重要的步骤。现在有许多加固方法加固旧建筑，例如，改变材料或组件，移除组件，减少垂直荷载等等。但碳纤维加固是最简单和实用的方法，它能有效保证碳纤维与木材，也可以有效地避免或减少木材的张力脆性破坏梁、减少木材本身的缺陷,如疤痕对木梁的弯曲性能的影响。在这个绿色和节能的新时代，碳纤维加固不仅节约木材资源，而且也能响应国家的号召，可供同类建筑物加固改造参考。

[1]杨会峰,刘伟庆,邵劲松,等.FRP加固木梁的受弯性能研究[J].建筑材料.2008.10(5),591-597.

[2]吕西林.建筑结构加固设计[J].北京:科学出版社.2001.

[3]GB50003-2011 砌体结构设计规范[S].

[4]GB50011-2010 建筑抗震设计规范[S].

[5]GB50023-2003 木结构设计规范[S].

[6]JCJ116-98 建筑抗震加固技术规程[S].

[7]张德生,李远瑛,蒋沧如.FRP材料在某厂房屋架加固工程中的应用[J].自然科学,2003，12(6)82-85.

张鹏程(1972-)，男，副教授，博士，主要从事结构工程研究方面的工作。

苏钊艺(1989-)，男，研究生，主要从事防灾减灾工程及防护工程方面的工作。

Structural Reinforcement ：a Case Study on Wood Truss

ZHANGPengchengSUZhaoyi

(School of Architecture and Civil Engineering, Xiamen University, Xiamen 361000)

As natural material, wood has good durability. There are many masonry-wall wooden truss constructions built in about 1960 to 1980 years, have still been in use. The primary structure has no obvious decaying or damaged as whole, yet some parts deteriorated due to the leak of water or some parts rotted by Bugs or white ants. To ensure the carrying capacity of the structure, it is necessary to do some repair or reinforcement. The case study presents the detection, identification, and reinforcement of a timber roof truss structure built in a village of Xiamen in 1968, which include the performance analysis of the old structure and some key methods of carbon fiber used to reinforce timber structure. Also the study can give some good suggestions to the design or to reinforce similar structure more cost-effectively.

Structural Reinforcement；Timber roof truss structure；Carbon-fiber

张鹏程(1972-)，男，副教授。

2015-11-05

TU312+.3

A

1004-6135(2016)01-0055-04