建筑木结构加固技术研究现状与展望

沈江元，毛信芳

（1.北京维拓时代建筑设计股份有限公司，北京 100025；2.南京高科股份有限公司，南京 210023）

木结构建筑在我国的寺庙、塔乃至古民居等建筑中都占有较大的比例，对建筑史和人文历史的研究都有深远的意义[1]。但由于自然环境下，木结构易产生开裂、糟朽、变形、拔榫和虫类的侵蚀等损坏[2-3]，木结构建筑即使拥有着优良的受力性能，也很难保存完好。若没有前人对木结构加固的研究，大量的木结构建筑都无法保存至今。再者，木结构建筑具有环境相容性、空间利用性和抗震性等特性[1]，很多地方仍以木材作为建筑材料。因此，对木结构加固的研究不仅可以贡献于古建筑的维护，还有利于形成标准的木结构建筑设计规范，降低建筑因各种原因损坏的风险。近代以来，大量国内外学者都投身到木结构加固、维护的研究工作中，并取得了巨大的进步。现代的加固方法对木结构建筑本身会有一定的损坏性和不可逆转性，要使木结构古建筑能更加长久的存在，现在的水平还远远不够。在之前研究的基础上，推动木结构加固的不断发展是建筑相关人员不可推卸的责任。

1 木结构建筑加固研究的发展历程

我国木结构加固研究相较国外，开始的较晚。近代才逐步形成符合实际的古代木建筑保护原则[4]。在我国经济和科技高速发展的大环境下，国内将新材料、新技术应用于木结构加固的措施也逐渐增多。目前，我国已经实施了GB 50165—92《古建筑木结构维护与加固技术规范》等专门的规范性文件[4]，各种木结构加固性能的研究成果也陆续出现。

木结构加固的传统方法主要是对木建筑进行整体加固，对建筑的影响较大，尤其对古建筑的修复来说，会严重地影响其外观。现代方法则是采用新型材料对木构件进行修缮，对传统技术的缺陷进行了弥补，但其加固效果仍需大量实践来检验。

一般情况下，针对木结构，常用的主要加固方法以减小截面的应力为目的，提高结构构件的有效受力面积；或者以改变传力途径为目的，直接改变结构的受力体系[5]（如增加支撑法等），降低结构构件的受力，通过上述2 种方法，结构安全性得到提高。

随着研究和实践的深入，工程界认识到，应根据实际条件以及使用要求选择适宜的加固方法，将传统加固技术与现代加固方法结合起来，通过不断的试验、实践形成完善的木结构建筑加固体系。

2 木结构建筑常见的损坏形式及传统加固方法

在自然环境和长期荷载的作用下，木材的材料性能逐渐降低，出现木构件（主要为梁、柱）开裂、木材腐朽、受弯变形过大、白蚁侵蚀和榫卯节点脱离等老化和损坏的现象。弄清损坏的原因，选择适合加固方式是非常必要的[4-6]，常见的损坏形式及其处理方法有下列几种。

（1）构件开裂。木材长期处于干湿交替的环境，在荷载的作用下，各层木纤维收缩差别较大，从而导致构件开裂[5-7]。当裂缝较短时，可直接用铁箍箍牢；当裂缝较深时，则需要采用嵌补加固法，同时加设铁箍。

（2）木材腐朽。木材长期处于潮湿温热环境，极易滋生昆虫、菌类等生物，导致木构件腐蚀，常见位置为柱根。根据腐蚀情况的严重程度，传统加固方法可分为剔补、包镶和墩接法[8]。

（3）挠度过大。在长期荷载荷载作用下，由于木材的老化，木材弹性模量降低，导致挠度不满足规范要求。当梁枋构件挠度轻微，不影响正常使用时，传统方法为将构件旋转180°继续使用[2]。当挠度较大时，则需要使用支顶法来进行加固。

（4）榫卯节点破坏。木结构建筑中，榫卯节点为木结构建筑中重要的连接形式。卯榫由榫头和卯孔组成，具有较好的弹性，因此抗震性能良好[9-11]。常见的节点破坏形式一般为脱榫或榫头折断。

卯榫节点的加固方法主要有扁钢加固法[12]或FRP加固法[13]。谢启芳等[9]选取厅堂框架主承重柱（挑檐柱）的柱-框架缩尺模型，对无筋框架、碳纤维布加固框架和扁钢加固框架在水平低周反复荷载作用下进行了试验研究，给出了各框架的破坏特征、滞回曲线、骨架曲线、强度和刚度退化规律及变形和能耗等性能指标。研究结果表明：扁钢加固构架刚度最大，未加固构架刚度最小。扁钢加固木构架榫卯节点的方法可以显著提高节点的强度和刚度，而碳纤维布加固方法对于木构架榫卯节点的强度和刚度提高效果都不明显。总体来说，FRP 加固法只适用于破损程度小的节点；而扁钢加固法对节点的耗能能力有较大的影响，适用于节点强度明显不足的构件。

3 现代木结构加固采用的基本方法

3.1 整体加固

木结构产生裂缝、糟朽、弯垂和拔榫等现象后，会进一步导致建筑构架损伤。对于不同残损程度的建筑构架，有如下解决方法：揭瓦修缮、修整加固、支顶拨正和落架大修[2]。

（1）瓷砖拆除和维修是在单个构件损坏且屋架完好时拆除瓷砖、维修和加固受损构件的措施。

（2）修补加固是指在木架变形小、构件位移小的情况下，对损坏构件进行修补加固，无需揭砖拆框。

（3）屋顶支撑是当部分构件发生倾斜、倾斜和不均匀沉降时，在不拆除木框架的情况下，支撑屋顶梁框架，复位倾斜、扭转和拉榫构件，更换和修复损坏构件的措施。

（4）落架大修适用于梁架构件严重弯曲、开裂、腐朽的情况，对全部或部分构件进行修补或更换。

上述几类修缮形式是中国古建筑传统屋架的修缮方法，一直沿用至今，能够较好地保持建筑构架完整性。应该指出的是，这些修复方法会对建筑物的原始风格产生很大影响，故不适用于古代建筑文物的修缮。

1.2 构件加固

（1）墩接加固法。柱根由于长时间接触潮湿的地面，易腐烂。墩接法是将柱根糟朽部分去掉，换上新料，再用铁箍箍牢墩接的加固方法。当糟朽面积占柱截面面积1/2；或有柱心糟朽现象，糟朽高度占柱高的1/5～1/3 宜采用墩接法，墩接高度为柱高的1/5～1/3。

20 世纪60 年代，美国学者Wangaard[14]首次将CFRP 运用到木结构加固中，并进行了CFRP 加固木梁的试验研究。FRP 弥补了铁件易锈蚀的缺点，将传统与现代加固方法融合起来，更好地提高了加固的效果。

（2）嵌补加固法。嵌补加固法主要用于木构件产生干缩裂缝，且损坏不大（构件的水平裂缝深度小于梁宽或梁直径的1/4）的情况。基本方法为通过耐水性胶水和木条将裂缝缝隙粘结严实，再用铁箍等箍紧。当木构件仅表层受到腐蚀时，也可先将表层去除，再采用嵌补加固法。国外学者研究发现，使用环氧树脂作为粘合剂，木屑和玻璃纤维作为填料，填充和表面修复木材腐烂、裂缝和其他损坏，可以避免修补和嵌入造成的材料损失。但实际效果仍需得到实践的检验。

此方法操作相对简单，能有效地阻止木材裂缝。但由于经维护后的木构件2 部分受力状况差别较大，因此受力性能相较于原构件，有了一定的降低。

（3）铁件加固法。作为一种传统的加固方法，铁件加固法能高效地提高木结构构件的承载能力及刚度。具体加固方式有铁箍加固、铁片加固、铁钩加固和铁钉加固等。

2011 年，周乾等[15]采用人工分析与计算机模拟结合的方法，研究了古建筑铁件加固技术的分类及其特点，客观地评价了加固效果。但此方法的缺点也同样突出，一是铁片长期暴露于空气中，极易产生锈蚀；二是加工方法往往是不可逆的，破坏了木结构的原有状态；三是严重地影响建筑的美观。

（4）支顶加固法。通过支撑木结构建筑的梁框架，减小了挠度，这种加固方法的主要思路为以小木柱或铁钩为梁架增加额外的支撑，并调整所加固木梁的内力分布，以提高木梁的承载力。

然而，该方法将改变整个结构的传力系统，当需要更换构件时，需要卸除荷载，对其进行“落架”，这种方法容易对部件甚至整个结构造成损坏，而且是不可修复的。

（5）化学加固法。木材在放置过程中会受到虫蚁、菌类的侵害，使用化学试剂能有效预防此类情况，保证木材的性能。木材防腐剂一般应具有保证木材不受生物侵害，能起到杀虫、杀菌作用，不易挥发、不影响木材性能及进一步加工等要求。

化学防腐一般采用以下几种处理方法：涂刷法、喷洒法、注射法、滴液法、浸泡法、加压法和熏蒸法等[16]。但此过程是不可逆的，对木结构影响较大。

（6）FRP 加固法。传统的木结构建筑加固方法容易导致木结构的建筑风貌发生改变，且若操作稍有不当将致使构件产生新的破坏。近年来，人们对木结构建筑的保护和研究意识越来越强，通过FRP 的包裹加固，木结构的极限承载力和构件变形及构件材料的耐久性能等指标获得了极大地提高。

FRP 加固木结构由铁件加固法粘贴金属材料发展而来[17]。常用的FRP 有CFRP（碳纤维布）[18]、GFRP（玻璃纤维布）[19]、BFRP（玄武岩纤维布）[20]、AFRP（芳纶纤维布）[21]。相对于传统加固法，FRP 加固法对木结构建筑的外观影响较小，同时FRP 具有自重轻、强度高、耐酸性、易操作和抗腐蚀等优点[22-23]，可以提高木构件的承载力、刚度和延性[5-6]，是木结构建筑加固领域未来重要的发展方向之一。随着FRP 加固木结构的应用，大量理论研究也不断的深入：

王增春等[24]、张莉[25]、王琨[26]、杨会峰等[27]、朱晓冬等[20]针对FRP 加固木梁的不同方向进行了研究。王增春发现相较于未进行预弯的梁，预弯梁加固后强度有明显提升。张莉研究了CFRP 的层数和初始荷载2 个变量对木梁承载力的影响。王琨通过控制木梁截面尺寸和长度、CFRP 的环向缠绕配筋量及木梁是否存在裂缝来研究抗剪加固，得出了木梁的2 种抗剪破坏模式。杨会峰等则在FRP 加固木结构力学模型的基础上，进行了粘结界面粘结剪应力、截面中性轴位置、FRP 板拉力、受拉面层破坏荷载和极限荷载等的计算公式的推算。朱晓冬等则更近一步对不同贴面工艺的FRP 加固进行了可靠度研究。但这些研究都是基于理想的弹塑性体，而木材的是各项异性的，对试验结果可能会有较大影响，尤其是剪切性破坏的研究。因此仍需通过大量实践来验证。

陈松军[28]、郑涌林等[29]、周乾等[30]进行了基于不同材料，FRP 加固木柱的试验研究。试验结果均表明，FRP 能有效约束木柱的横向变形，显著提高木柱的延性。通过与传统加固技术的结合，能起到良好的加固效果，同时还能避免柱根的进一步腐朽；基于榫卯节点对木结构抗震性能的重要性，张风亮等[31-32]、陆伟东[33]、卢晨怡[34]则进行了FRP 加固残损节点的试验研究以及木结构整体抗震性能的研究，但由于节点受力的复杂性及各方面因素的影响，并未取得很好的结果，仍需深入研究。

4 思考与展望

（1）农村民居木结构加固应遵守“因地制宜、就地取材、经济实用”的原则，将铆钉、木条和钢板等经济性较好的构件作为加固材料，来综合提高民居木构架抗震能力。

（2）对于古建筑的修复，要遵循最小干预准则。在修复和加固损坏（如糟朽和裂缝）时，应尽可能合理地更换材料和部件，只有在不可能保留材料或构件应力不能满足要求时，才可以更换。遵循可逆性和可识别性原则，注意技术措施的可逆性，新的零部件材料必须具有一定的可识别性。

（3）卯榫节点作为木结构的重要组成部分，在木结构建筑中对减震耗能起到了至关重要的作用，但现阶段对此方面的研究尚浅，且由于木材的各项异性，采用软件模拟与实践效果会有较大的出入，因此相应的模拟分析方法仍有待进一步研究。

（4）FRP 材料的应用，实现了在对建筑尽量少的干预下，最大程度发挥材料的性能，是木结构加固的发展方向之一，但如何保证FRP 加固木结构的耐久性，确保FRP 在使用中的长期性能，应进一步验证。

（5）对于较复杂（多层或者连续大面积）的木结构，如何选择力学性能和防火性能均较好的加固材料，确保加固后木结构建筑的防火性能，是一个值得研究的课题。

（6）木结构构件之间的连接主要为榫卯节点连接，因此对构件进行开孔是不可避免的。由于木材本身的构造特性，木材开孔产生的应力分布变化不能简单地参考混凝土的公式及思路，关于这方面的研究不足，是值得探索的方向。