浅论藏式古建木结构构造及加固措施

张 晓

（西藏民族大学信息工程学院， 陕西 咸阳 712082）

1 构造特点与传力机理：

藏式古建筑以其形式多样的色彩、或浓或淡的手笔以及丰富深厚的文化底蕴与我国的高海拔地区的蓝天白云、广袤雄浑形成了浓烈而又神秘的融合。藏式古建筑主要以白、黑、赭红、金黄四种颜色呈现，外观装饰华丽[1]。藏式古建能够将石材与木材完美结合。藏式古建木结构讲究做工精湛、色彩艳丽，以中国传统的红色为底蕴，其上配有或雕刻或镂空的各色图案，颜色搭配丰富，反映出我国优秀的藏族文化特征。藏式古建筑形式最大的特点在于外墙收分，由多个单体结构构成一个结构单元，平面内多采用上下贯通的“井”式墙体。藏式建筑基础较浅并采用石材加固（如布达拉宫采用地垄形式）。古建筑木结构的竖向承重体系由西藏地区力学性能较好的藏青木柱所构成，梁柱采用雀替（由垫木和弓木组成，如图1）连接，可以减小实际受力过程中节点的局部破坏。同时，对于多层建筑，如图2，木柱并非是从上而下直线贯通，每层柱下设有石材基础（柱础）承重，当首层建筑施工完毕后，在其楼盖上对应位置设置二层柱础，并逐步进行二层柱子和墙体的施工。楼盖部分为土泥结合的形式。首先在竖向承重构件的上面密铺圆木或半圆木，接着为碎石和卵石密铺，起到透气的效果，第三道铺筑泥制垫层，最后用较厚的阿嘎土密封屋顶并通过瓦材做装饰。整个木结构传力明确，线路清晰。

图1：藏式古建木结构梁柱节点构造简图

2 梁柱节点受力特征

2.1 竖向作用下的传力机理及破坏特征

藏式古建木结构的受力性能主要取决于梁柱节点的性能。梁柱节点采用暗銷连接，在建筑物使用的过程中，木梁将本层楼盖及其上部荷载传给下部构件，是典型的上部受压下部受拉构件。弓木沿顺纹方向受弯，根据构件长度的不同，分为上部受拉或者下部受拉[2]。垫木多为上部受拉，栌斗为横纹承压构件，柱为顺纹承压构件[3]，暗銷在整个木结构受力的过程中起到承压和抵抗剪力的作用。

梁柱节点在整个受力的过程中，随着作用的增加、时间的变化和材料的老龄化，各木材构件会产生干缩裂缝，暗銷渐渐松动，各受弯构件会产生明显变形，且部分表面局部受力处会因风化或较大应力产生破裂，当受力过大时，垫木甚至会嵌入栌斗之内，栌斗发生劈裂破坏。当梁柱节点处平面内出现偏心时，节点处将发生转动，且节点处的转动刚度与弓木与垫木的长度正向相关，弓木和垫木内暗銷的受剪变形较大。

2.2 动荷载作用下的性能特征

藏式古建筑木结构在动荷载作用下受力较为复杂。杨娜研究发现：梁柱节点在反复循环荷载作用下的滞回曲线呈“捏缩”形状，木节点的弹性较好，骨架曲线成 S型，在受力过程中产生了大的变形，结构的刚度随着荷载的增加而下降，具有良好的耗能能力。由此看来藏式古建筑木结构在抗震中不仅可以产生较小的惯性力，同时还可以通过柔性化的梁柱减小整体结构的刚度，增大了结构的耗能。

3 加固改造思路

藏式古建筑木结构在使用的过程中不仅要做好材料本身的防腐防虫蛀的保护措施，同时也要保持建筑造型和民族文化特色。对于持久荷载下的旧藏式建筑木结构可能存在已下问题：1）非受力引起的干缩裂缝；2）构件和节点承载力不足产生的裂缝；3）变形过大。

对于干缩裂缝，一部分是由于非受力作用引起的，可以通过定期涂刷油漆或外表材料（前提是不破坏艺术性和使用性能）来进行改善；例如，木柱柱身的贯通裂缝可以采用铁箍或嵌入银锭来加固。

另一部分是由于承载力不足所引起的。①对于梁来言：中和轴附近的纵向裂缝是由于梁截面剪应力超过了截面抗剪承载力所致，梁立面上多条平行裂缝是由于两端产生相对位移所致，梁底出现直裂缝可能是暗銷处沿Z向的拉应力所致，梁端处或构件的交接处由于局部应力过大产生裂缝。②对于弓木和垫木，由于变截面处的剪应力过大，可能会产生水平裂缝，沿厚度方向的压力分布不均匀，可能会导致底部的裂缝；同时由于荷载的不均匀和初始缺陷，可能会出现雀替歪闪的现象。③对于木柱：栌斗处在变截面处，局部压应力过大会产生微裂缝甚至是劈裂等现象。柱脚处在柱础之内，由于湿度的增加会加大了受潮污损的可能性，加之柱身的扭转增大了柱脚与柱础的摩擦力，严重时导致柱身的失稳。对于承载力不足引起的破坏可以通过外包纤维布或木材、设置加劲肋、外包钢板等方法进行加固。采用木材设置加劲肋的方式对构件的外观整体影响较大，对于次要的古建筑木结构可以采用；外包碳纤维布对梁柱构件可以从抗弯抗剪的应力应变和挠度上得到一定的改善，根据不同的破坏性能采取不同的粘贴方式，可以更加灵活方便地改善旧古建筑木结构的受力性能。

当结构产生过大的变形时，不仅单一构件的力学性能有所下降，对于整个结构来说可能破坏了协调关系，出现过多的局部集中应力等现象。例如，①随着荷载的增加，垫木可能会产生优先于结构整体破坏的剪切变形；②木柱的扭曲和雀替的歪闪。因此，当结构的变形过大时，要定期的检测结构构件的刚度退化情况，在不影响适用性能的前提下增加约束数量。通过外包钢板的方法可以减小梁跨中挠度约20%-30%，改变整个结构的应力分布，是结构的受力变形处在一个新的、更加安全合理的状态。

4 小结

现阶段研究表明：藏式古建木结构不仅是珍贵绚丽，底蕴丰富、文化厚重的艺术品，同时结构的变形性能较好，传力方式较为合理。由于旧古建木结构随着时间和使用环境的共同作用出现了不同损伤，因此，“如何在不破坏艺术性的基础上保证它的安全可靠性”这一问题成为国内很多学者关注的焦点。大量的真型与仿真实验关于藏式古建木结构的加固研究主要集中在“如何提高单个构件的挠度变形”、“如何用新型的材料提高整个结构的力学及变形性能”等。但是存在以下几个方面可能需要更多的学者关注，如不同种木材料（如藏青杨、樟子松）结构采用不同的加固方式对应的二次破坏特征有何区别、柱体与柱础的施工方法方式对柱体破坏情况和结构整体变形的有何影响、人群荷载对木结构静力和动力性能有何影响等等。总体来说，对于藏式古建木结构，研究比较成熟，但其作为具有文化意义、民族特色建筑艺术品应该受到更多的保护和更加深入的研究。

[1]边巴，李文博. 谈尼洋河风光带藏式建筑装饰[J].山西建筑，2014，40（3）：224-225.

[2]杨娜，闫会春. 典型藏式古建木构梁柱连接传力机理分析[J]. 北京交通大学学报，2012，36（4）：76-81.

[3]杨娜. 藏式古建木构梁柱连接力学性能试验研究及有限元分析[D]. 北京交通大学，2011.