历史建筑木构件钢抱箍加固探讨

崔光海，马智刚，林燕秋，庞书经

（清华大学建筑设计研究院有限公司，北京 100084）

1 引言

历史建筑是我国重要文化遗产，是被政府认定为具有保护价值且能代表历史风貌和地方特点的建筑物[1]。不仅反映了不同地区和时代的建筑风格和技术水平，也蕴含了丰富的历史和文化信息。这些建筑是人类智慧和艺术的结晶，也是人类共同的财富。在历史建筑中，木结构体系占有重要的地位。木结构是一种传统的建筑结构形式，具有轻巧、美观、节能等优点，但也存在着易燃、易腐、易变形等缺点。由于自然和人为的因素，木结构建筑经常遭受各种损坏，如火灾、地震、风雨、虫蛀、霉变等，导致其稳定性和承载力下降，甚至威胁其安全性能。因此，对于现存的木结构历史建筑，如何进行有效的修缮加固，是一个亟待解决的问题。

目前，对于木结构的保护和加固方法有很多种，如化学防腐、物理防火、夹板补强、碳纤维布粘贴等。这些方法各有其优缺点，适用于不同的情况和需求。本文探讨了一种常用的加固方法，即采用钢抱箍对木构件进行加固。钢抱箍是一种环形的钢板，可以分为两个半圆形或矩形柱类似的部分，通过高强度螺栓连接在一起，形成一个紧贴木构件外表面的圆环或矩形环。钢抱箍通过预紧对木构件施加向内的压力，可以防止木构件的开裂和变形，同时提高木构件的稳定性和承载力。本文旨在探讨钢抱箍加固木构件的原理、设计和施工。

2 钢抱箍加固木构件原理

当没有钢抱箍时，木构件干缩开裂、糟朽等，导致其截面尺寸减小、整体性下降，从而降低其稳定性和承载力；当增加钢抱箍时，钢抱箍约束了木构件的开裂和变形，增强了整体性，钢抱箍起到了一个支撑和约束作用，从而增加木构件的稳定性和承载力。

3 钢抱箍加固木构件的设计

钢抱箍加固木构件的设计应根据具体情况确定其尺寸、数量、位置和连接方式。以下分别对这些设计参数进行说明。

3.1 钢抱箍的尺寸

钢抱箍的尺寸是影响其加固效果的重要因素。一方面，尺寸越大，钢抱箍对木构件施加的预紧力越强，加固效果越好；另一方面，尺寸越大，钢抱箍自重越重，成本越高，施工难度越大。因此，在设计时要综合考虑经济性和加固效果，并根据实际需要确定合理的尺寸。

钢抱箍的尺寸包括厚度和宽度两个方面。厚度是指钢抱箍的截面厚度，宽度是指钢抱箍的截面宽度。一般来说，厚度和宽度都应与木构件的直径或宽度相匹配，即不宜过大或过小。过大的厚度和宽度会增加钢抱箍的自重和成本，而且可能影响木结构的美观；过小的厚度和宽度则会降低钢抱箍加固效果，当钢抱箍厚度为木构件直径或宽度的1.5%左右时，钢抱箍对木构件的加固可以达到一个较好的水平，既能有效地提高木构件的稳定性和承载力，又不会造成过大的自重和成本；当钢抱箍宽度为木构件直径或宽度的一半时，钢抱箍既能有效地防止木构件的开裂和变形，又不会影响木构件的美观。实际设计时还要根据木构件的材质、受力情况和安全等级进行调整。例如，对于受力较大或安全等级较高的木构件，可以适当增大钢抱箍的厚度和宽度；对于受力较小或安全等级较低的木构件，可以适当减小钢抱箍的厚度和宽度。

3.2 钢抱箍的数量

钢抱箍的数量是影响其加固效果的另一个重要因素。数量越多，钢抱箍对木构件施加的预紧力越均匀，加固效果越好；但数量越多，钢抱箍自重越重，施工难度越大，费用越高。因此，在设计时要综合考虑经济性和加固效果，并根据实际需要确定合理的数量。

当钢抱箍间距为木构件直径或宽度的10 倍时，钢抱箍对木构件的加固可以达到一个较好的水平，既能有效地控制木构件的开裂和变形，又不会造成过多的自重和费用。实际设计时还要根据木构件的材质、受力情况和安全等级进行调整。例如，对于受力较大或变化较剧烈的部位，可以适当增加钢抱箍的数量；对于受力较小或变化较平缓的部位，可以适当减少钢抱箍的数量。

3.3 钢抱箍的位置

钢抱箍的位置是影响其加固效果的第三个重要因素。一方面，位置越合理，钢抱箍对木构件加固效果越好；另一方面，位置越合理，钢抱箍自重越小，施工难度越小，费用越低。因此，在设计时要综合考虑经济性和加固效果，并根据实际需要确定合理的位置。一般情况下需在木构件有裂缝或损伤处设置钢抱箍。构造加强情况下需在木构件两端各设置一个钢抱箍，如果构件长度较大，可在木构件中间部分按照等间距设置若干个钢抱箍。

在木构件两端设置钢抱箍可以有效地防止木构件在轴向压力作用下发生失稳；在木构件中间部分按照等间距设置若干个钢抱箍可以有效地控制木构件的开裂和变形；在木构件与横梁或其他构件连接处设置钢抱箍可以有效地提高木构件的抗剪能力和抗震能力；在木构件有裂缝或损伤处设置钢抱箍可以有效地修复木构件的缺陷和增强木构件的完整性。

3.4 钢抱箍与木构件之间的连接方式

钢抱箍与木构件之间的连接方式是影响其加固效果的第四个重要因素。连接方式越牢固可靠，钢抱箍与木构件之间的协同工作效应越好，加固效果越好。目前，常用的连接方式有以下几种。

1）螺栓连接：即用高强度螺栓将钢抱箍的两个半圆形或矩形柱类似的部分连接在一起，并用垫圈和螺母紧固。这种连接方式具有结构简单、施工方便、可拆卸等优点，但也存在着螺栓会松动、螺栓会腐蚀等缺点。

2）焊接连接：即用电焊或气焊将钢抱箍的两个半圆形或矩形柱类似的部分焊接在一起，形成一个完整的环形结构。这种连接方式具有结构牢固、不易松动等优点，但也存在着施工难度大、需要专业设备和人员、会产生高温和火花等缺点。

3）胶粘连接：即用特种胶水将钢抱箍的两个半圆形或矩形柱类似的部分粘接在一起，并用夹具或绳索将其紧贴在木构件外表面上，待胶水干燥后形成一个完整的环形结构。这种连接方式具有结构美观、不会削弱木构件截面、不会产生高温和火花等优点，但也存在着胶水质量不稳定、胶水干燥时间长、胶水易老化等缺点。

工程中常用的连接方式为螺栓连接，可以通过采用不锈钢螺栓或通过做好防锈漆等方式解决防腐问题，通过双螺母等做法可以解决螺栓松动问题。

4 钢抱箍加固木构件施工关键点

钢抱箍加固木构件的施工应根据设计方案进行，并注意以下几点。

1）在施工前，要对原有木结构进行检测和评估，确定其材料性能、受力状况和安全等级，并制订合理的加固方案。同时，要对木结构进行清洁和保养，去除表面的灰尘、油污、水分等杂质，保持木结构的干燥和清洁。

2）在施工过程中，要注意保证钢抱箍与木构件之间的紧密贴合，避免出现空隙和松动，影响加固效果。根据不同的连接方式，要采用不同的方法进行预紧力的施加和控制。例如，对于螺栓连接，要用扭力扳手或扭力计对螺栓均匀地拧紧，并定期检查螺栓的紧固程度；对于焊接连接，要用电焊或气焊对钢抱箍均匀地进行焊接，并注意防火和防烫；对于胶粘连接，要用特种胶水对钢抱箍进行均匀涂抹，并用夹具或绳索将其紧贴在木构件外表面上，待胶水干燥后再拆除夹具或绳索。

3）在施工后，要对加固后的木结构进行检测和验收，评估其加固效果和安全性能，并进行定期的维护和检查，防止钢抱箍的腐蚀和松动，从而影响木构件的使用寿命。

5 钢抱箍加固木构件优缺点

钢抱箍加固木构件是一种简单有效的加固方法，具有以下几个优点：结构简单，不会改变木结构的原有形式和风格；施工方便，不需要大型设备和复杂工艺；成本低廉，不需要使用昂贵的材料和人工；效果显著，可以显著提高木结构的稳定性、承载力、抗剪能力和耐久性；可拆卸，可以根据需要进行拆装和更换[2]。

然而，钢抱箍加固木构件也存在以下几个缺点：钢抱箍会增加木构件的自重；钢抱箍会影响木构件的美观，可能破坏木构件的原有风貌；钢抱箍与木构件之间的连接方式可能不够牢固可靠，可能导致钢抱箍的松动或脱落；钢抱箍可能会受到腐蚀或磨损，可能影响其加固效果和使用寿命。

钢抱箍加固木构件是一种简单有效的加固方法，但也存在一些缺点和不足。因此，在实际应用中，要根据具体情况选择合适的抱箍加固方案，并注意对加固后的木结构进行定期检查和维护。

6 实例分析

四川眉山太和老镇位于眉山市东坡区太和镇，基本为建于明清至民国时期的老旧建筑，太和老镇有数十处不可移动文物和历史建筑，大部分为砖木结构，由于年久失修、风雨侵蚀，很多房屋面临损毁的风险，为提升这些房屋的耐久性和安全性，对这些房屋进行修缮加固。

四川眉山太和老镇房屋大部分为穿斗结构，木结构采用杉木，木柱直径尺寸120～200 mm，穿枋高度150～200 mm，木檩条直径150 mm 左右，椽条尺寸80 mm×80 mm，椽条间距300 mm 左右，一般采用瓦屋面，现场木结构常见病害为局部糟朽开裂，为增强木柱承载能力和安全性，对局部开裂的部位进行抱箍加固，钢板采用Q235B，钢板厚度4 mm，钢板宽度150 mm，螺栓采用M12 高强螺栓，为增强防腐蚀能力，钢板和螺栓均进行防锈涂装，为防止螺栓松动，用双螺母进行拧紧。对现场常见的150 mm 直径原木进行承载力分析，计算模型如图1 所示。

图1 计算模型图

原木直径150 mm，高3 m，假定两端铰接，施加轴向偏心荷载按杉木材质进行计算，其承载力为89.9 kN，模型中间增加一道500 mm 长竖向缝近似模拟原木开裂影响，在同样边界及加载条件下其承载力下降约30%，在开缝模型中部增加4 mm 抱箍钢板后进行计算，其承载力为82.6 kN。从分析中看出：原木开裂后，其承载力下降，当进行抱箍加固后，其承载力基本恢复，钢抱箍加固效果简单有效。

7 结论

1）钢抱箍加固木构件是一种简单有效的加固方法，具有结构简单、施工方便、成本低廉、效果显著、可拆卸等优点，在实际应用中，要根据具体情况选择合适的抱箍加固方案，并注意对加固后的木结构进行定期的检查和维护。

2）原木构件开裂后，其承载力下降，在进行钢抱箍加固后，其承载力基本能够恢复。