古建筑木结构加固方法研究

徐 婷

(甘肃省文物考古研究所,甘肃 兰州 730000)

0 引 言

传统的古建筑木结构在不同的破坏条件下会出现不同程度的损坏,通过有针对性的加固,可以使其恢复正常受力状态,维持古建筑结构平衡稳定,从而达到延长古建筑寿命的目的。近几年,随着科学技术的进步,古建筑木结构加固方法也多种多样,有些木构件采用纤维增强复合材料进行加固,有些采用传统挖补、包镶方法加固。学者们通过大量的试验对古建筑木结构加固方法进行了研究,如对木构件的抗弯、抗拉、抗压、抗剪强度,不同方向的弹性模量,承载力、疲劳性能、抗震性能等方面的检测,提出了有效、经济、可发展性的保护方法。本文从古建筑木结构特点入手,对其开裂、糟朽、虫蛀、歪闪等各种不同类别的损伤进行了探讨;然后,着重讨论了不同损伤类型木构件的加固方法,以及新技术新材料的应用,完善加固措施,提高古建筑保护水平。

1 古建筑木结构的结构特点

1.1 木材为主要建筑材料

木材是我国古代建筑的重要原材料,因其具有良好的弹性、韧性,取材容易并且纹理色调丰富美观而被广泛使用。传统木结构建筑拥有独特的结构形式,柱、梁、檩等构件形成框架体系支撑着屋顶,屋顶与四周墙体围合成一个封闭空间,可以满足当时的居住要求。木材不仅力学性能好,能够保证建筑的安全性、稳定性,而且易于加工,造型变化多样。随着社会的发展及科技的进步,古建筑的结构形式日益完善、丰富,外观也更加美观,具有独特的魅力。

1.2 显著的抗震性能

木结构古建筑的抗震性能是十分优越的,许多古建筑在经历了数次大大小小的地震后依旧完好,就能证明这一点。这是因为我们的古建筑是由很多木构件组合而成的框架结构,木材本身具有弹性,容易变形但变形后具有一定的恢复能力,而且木构件之间的连接是榫卯形式,榫卯是一种柔性连接,地震时不容易被破坏,比起钢筋混凝土结构的刚性连接具有较好的整体性;有些古建筑中还有斗拱,斗拱在柱和梁之间,将屋顶的荷载传递给柱子,地震时斗拱像弹簧一样可以缓冲上面传来的巨大能量,同时还有额枋和地袱将所有柱子紧紧地拉结在一起,使房屋具有更强大的整体性,所以,俗话说“墙倒柱立屋不塌”,可见木结构古建筑的抗震性十分优秀。

2 破坏类型

古建筑木结构在人为破坏和自然环境的风吹日晒或风雨雪荷载长期作用下,木材性能、结构承载力都会有一定的降低,从而引发各种各样的损伤,常见的损坏有以下几种。

2.1 开裂

开裂是由于有些木材在制造过程中,因未进行充分的烘干晾晒,导致表面部分干燥比较彻底,而木质内部纤维的收缩和震动不均匀,随着时间推移,木材因自身的收缩运动而出现裂纹;或由于梁、柱受荷载时间过长,木材本身材质发生一定程度的退化,力学性能出现下降趋势,使其在外力作用下容易产生裂缝。开裂形式主要有表裂、内裂、端裂(劈裂)、轮裂四种,其中表裂和劈裂最为常见。

2.2 糟朽

引起木材腐朽的最主要原因是木腐菌的侵害,木腐菌是一种真菌,它会将木材本身分解为简单的养分供自己摄取,从而造成木材的腐坏。如果木材的含水率为30%～50%,并且长时间处在10～30 ℃,在不通风、潮湿的环境下,木构件极易发生腐坏现象。最常见的部位是立柱根部和屋顶的角梁部分,这是因为柱的根部本来就比较潮湿,有些被完全包裹在墙壁中,缺少干燥和通风的环境,时间长了,就会发生不同程度的腐朽;角梁处于屋顶的位置,在屋顶漏雨的情况下,经常会由于积水而发生腐朽。腐朽会导致柱、梁、檩等构件有效受力截面的减小,导致整体的抗压、抗拉、抗弯值下降,从而破坏了建筑物的安全性和稳定性。

2.3 虫蛀

受到外界环境的影响,如在一定的温度、湿度下,昆虫可在木材内产卵、孵化成幼虫,蛀蚀木材。蛀虫通常会将木材咬出一个个针孔大小的孔洞,在木材的表面或内部形成贯通或封闭的孔隙使木材呈海绵状,然后从孔隙中脱落出白色的木屑,使木材的强度变差。这种损害不仅会对古建筑的外观造成影响,而且会使木构架承载力降低,随着时间的推移,严重时很可能会导致木质柱、梁、檩、枋等受力构件弯曲变形或折断[1]。

2.4 拔榫

在古代建筑中,榫卯连接是古建筑中常用的连接工艺,用构件上的凹凸部分增强抗拉拔能力,主要以柱和梁、柱与枋、柱与檩的联连接为主。但是在长时间的外力作用下,或因木材自身发生的收缩,导致梁、柱节点位置很容易发生错位。拔榫后,梁、柱构件的有效受力截面减小,容易产生拉、压、弯、剪等破坏,进而影响构件整体的力学性能。

2.5 弯垂

在古建筑木构件中,梁、檩、枋等长期受到横向力和剪力的作用,导致构件弯曲变形,若变形超过临界值还会出现劈裂现象。所以,当构件的挠度超过规定限值时,应及时采取加固手段进行处理。

3 古建筑木结构加固保护的原则

3.1 不改变原状原则

古建筑是我国古代政治、经济、文化及社会活动的载体,可以反映一定时期内政治、经济、文化、社会生活的水平及特征。所以,在对古建筑木结构加固的过程中,一定要坚持不改变建筑原状的原则。原状有两层含义:一是恢复原状,二是保存现状。当要维修的古建筑资料齐全,有可靠的科学依据,并且修缮技术成熟时,可以考虑恢复原状。当古建筑要恢复的原状没有依据,或依据不充分,抑或修缮技术尚不先进,则应当保存现状,待时机成熟时再恢复原状。在修缮时还应注意:保存古建筑的原结构、原形制、原材料、原工艺,避免古建筑在维修过程中受到破坏。因为改变了原来的结构、形式、构件、做法,古建筑就失去了其原本的价值,也就失去了保护古建筑的意义。但是,对于古建筑之外添建的部分和古建筑上附加的危及建筑物安全的部分,应当予以清理拆除。

3.2 最小干预原则

在对古建筑残损进行勘察的过程中,应遵循最小干预原则,最大限度地保持木结构古建筑的真实性和完整性,从实际出发,避免过度修缮,制定最优维修方案,保护古建筑独有的历史、艺术、科学价值。

3.3 可逆性原则

在对古建筑进行加固时,要遵循可逆性原则,更换的构件、紧固材料、连接构件应便于拆卸,以便日后拆除的时候,既不会对原有的建筑物结构造成损伤,又方便维护,还不影响今后利用更先进的材料和技术对古建筑进行更合理的维修保养。

4 古建筑木结构加固方法

4.1 整体维修与加固

4.1.1 修整加固

如果木构架有微小变形,构件位移不大,可用修整方法加固。这种方法是在不揭除瓦顶,不拆动构架的情况下,直接对木构架进行整体加固。

4.1.2 打牮拨正

打牮拨正是先将瓦顶揭除,拆下望板,但不拆落木构架,而是将构件支顶起来,解除构件承受的荷载,将倾斜、扭转、拔榫的构件重新归位拨正后,再进行整体加固,残损严重的受力构件必须及时进行更换。在实际维修过程中,有时只需要打牮,不用拨正,比如抽梁换柱。

4.1.3 落架大修

当主要的承重构件残损严重时,就需要将所有或局部的木构架拆落,把破损的构件逐一修复或更换,重新装配,并在安装过程中对整个结构进行强化。拆除时先揭除瓦顶,由上而下分层拆落望板、椽子、檩条、梁架。拆落前做好标记编号,并采取保护措施,以保证木构件不受损坏。

4.2 局部构件加固

4.2.1 挖补与包镶

若柱子只是轻微的糟朽,柱芯完好,不影响柱子的应力,表皮糟朽不超过柱子直径的1/2时,可采用挖补方法加固。先将糟朽的部分挖除,所剔的补洞内壁应向里倾斜,洞底剔凿平整、无杂质,然后选用和柱子木质一样的木块将补洞楔实紧密,再用胶粘结或钉子钉牢,将钉帽嵌入柱皮内,最后修整成柱身原有形状。若柱子糟朽部分较大,沿柱身周圈一半以上,深度不超过柱子直径的1/4时,则采用包镶方法加固。同样需要先进行挖除糟朽部分,补块楔实紧密,粘结牢固,然后在补块较大的部位加铁箍1～2道,铁箍接头搭接处用钉子钉牢,铁箍外皮与柱子外皮保持齐平。梁枋等构件局部糟朽也可用挖补、包镶方法加固。

4.2.2 裂缝嵌补

柱子的裂缝深度不超过柱径或该方向截面尺寸1/3时,裂缝宽度小于3 mm时,用腻子勾抹严实即可。裂缝宽度在3～30 mm的用木条嵌补,并用胶粘牢。裂缝宽度在30 mm以上,深度在柱径截面尺寸的1/4以内时,也用木条嵌补粘牢,木条选用顺纹通长的,另外还应在柱的开裂段加2～4道铁箍,开裂较长时,可适当增加箍的数量。若木柱有较大的斜裂或者裂缝宽度过大影响柱子的允许应力时,应考虑更换。

梁、枋、檩等构件的开裂可由多种因素造成,随着裂缝的出现,承载力也会降低,因此,应采取相应的加固措施,对于轻微的裂缝,可用铁箍直接加固。裂缝较大时可用木条嵌补密实,用胶粘牢,并加设2～4道铁箍。

4.2.3 化学材料浇铸加固

当柱子遭到虫蛀或者细菌侵害,柱子外皮完整,柱芯糟空,可用不饱和聚酯树脂浇铸加固。不饱和聚酯树脂由304号不饱和聚酯树脂、1号固化剂、1号促进剂、石英粉按一定的配比制成,它是一种热固性工程塑料,具有强度高、比重小、防腐性能好、加工成型方便等优点。浇筑时要先加上扶柱,解除柱子承受的荷载,在柱子的一面分段开浇铸槽,将柱内糟朽部分和杂质全部剔凿清理干净,堵住漏洞,进行浇铸,浇铸后,用木料将槽口封闭,用胶粘牢。

4.2.4 墩接

当柱脚腐朽严重,但自柱底面向上未超过柱高的1/4时,可采用墩接柱脚的方法处理。

(1) 木料墩接:将腐朽的部分剔除,选择墩接的榫卯式样(阴阳巴掌榫、莲花瓣榫),再加设铁箍。

(2) 石料墩接:可用于不露明的柱,也可用于柱脚腐朽部分高度小于200 mm的柱。若是露明柱可将石料加工为小于原柱径100 mm的矮柱,周围用厚木板包镶钉牢,并应在原柱接缝处加设铁箍一道。

4.2.5 支顶加固法

木结构古建筑中,梁、檩、枋等水平构件长期受到自身重量和上部荷载的作用,导致出现弯垂现象,一般情况下,当梁的垂度与跨度之比大于1∶120时,应采取加固措施,否则变形超过一定的限值就会劈裂、断裂,严重影响古建筑结构安全。加固时通常在弯垂部位的底部加设铁板或钢板,在下方支顶柱子,以分散木梁上的荷重。有时还会采用木质隔墙来支顶。但是这两种方法会使房屋内部空间使用受到限制,为了使空间不受影响可以加设附加梁,即在前后檐柱的内侧各加一根木柱,木柱上托一根附加梁,以附加梁支撑原来的梁来增强梁的承载力。

5 新技术在木结构维修中的应用

为了更加科学、持续、规范地对古建筑进行保护,践行预防性保护理念,各种先进的科学技术也逐渐被广泛应用到文物保护工作中,如三维扫描技术、红外技术、遥感技术、超声波无损探伤技术、元素分析仪等,借助先进科学手段能够尽早对文物进行风险分析和评估,及时做出有效的风险防范措施,消除不利因素,使文物得以健康长久保存。

5.1 超声波无损探伤技术

古建筑中的木柱、梁等构件,往往外表完好,但是内部却存在孔洞、裂缝、腐朽等病害,使古建筑存在安全隐患。超声波无损探伤技术是检测木材内部缺陷的一种常用有效方法。超声波频率高于20 kHz,是一种频率很高但波长较短的机械波,它由物体振动产生,可以在介质中传播。在不同树种的木材中传播的速度不同,有较高的能量、良好的方向性、很强的穿透力;在传播过程中还会因为介质的变化发生折射、反射等现象;如果传播距离远,波的能量会减小,波形曲线的幅值也会相应减小;如果内部腐朽程度严重,波的传播速度就会减小。根据以上特点,采用智能超声波检测仪从不同方向对木材进行超声扫描,进而采集数据,建立坐标,整理数据,进行波形分析,可得到木材内部损伤的位置及大小,根据检测结果再对木构件进行维护、加固,消除隐患。

5.2 碳纤维增强复合材料(CFRP)的应用

在对古建筑木构件进行修补时,由于木构件的弹性模量不高,易发生变形,所以在进行加固时,可以将高强度的复合材料与木材相结合,以增强构件承载力,从而达到古建筑的设计要求。碳纤维材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体,以树脂为基体的一种复合材料。碳纤维复合材料强度高、刚性好、抗拉力强、耐高温、韧性好、热膨胀系数低、抗疲劳性和抗蠕变性好,而且自重轻、成本低、施工便捷,还符合古建筑加固中可逆可识别的要求,所以被广泛地应用在文物保护工程中。碳纤维材料是将碳纤维丝拉伸,然后浸润环氧树脂,再用专业的机器挤压成型,常用的有碳纤维布和碳纤维板。对于底部受压破坏的木构件,可以在构件底部张拉碳纤维布,用碳纤维布强度高的优势提高木构件底部的抗压强度。对于构件榫卯连接处较大的变形位移,可以设置碳纤维板,用它良好的弹性模量,控制构件的变形位移,提高构件承载力。对于受剪力破坏的构件,可以在构件破坏的区域粘贴碳纤维布来提高木构件承载力。另外,碳纤维还具有较好的抗腐蚀能力,将其与木材相结合,可有效地改善木结构老化、腐朽问题,延长木构件使用寿命。

近年来,随着社会的发展和科技的进步,出现了许多新材料、新技术,有些技术已经发展成熟,为文物保护工作提供了新思路、新方法,可以安全可靠地应用在古建筑维修加固工程中,还有一些新材料虽然拥有十分优越的力学性能,但在生产制备、安全环保等方面还有一些没有攻克的难题,暂时不能推广应用。比如碳纳米管,虽然它具有许多异常优秀的力学、电学和化学性能,被称为“超级纤维”,但在生产时,为了获取到质地均匀、缺陷少的单层管需要消耗更多的能量。此外,研究人员发现碳纳米管会对人体造成一定伤害,如接触后皮肤过敏,吸入后形成肺癌等。在其生产过程中残留的镍、铬和其他金属还会对环境造成很大的影响,甚至污染水体,造成某些水生生物的死亡等。如果能够解决碳纳米管经济环保、大量生产的问题以及其他不良影响,碳纳米管复合材料以它良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性,将具有广阔的应用前景。

6 结束语

综上所述,对古建筑木结构进行加固时,要注意遵守“不改变文物原状原则”,正确把握不改变原状的含义,根据木构件的损坏程度和类型,选用合适的加固方法,满足现有的设计规范,避免因加固损坏古建筑的价值。注重将传统加固方法与现代加固技术相结合,传统材料和新材料灵活应用,取长补短,发挥各自优势,不断完善和发展古建筑木结构加固技术体系。