大多数木结构古建筑都是国家重要的旅游文化资源,是珍贵的文化遗产,具有不可恢复性.由于历年来地震,雷击等自然灾害时有发生,对古建筑造成危害,且由于木质材料本身具有易开裂易变形等缺陷,所以对木结构古建筑的修缮与加固具有重要意义.
中国古建筑在世界上形成了独特的建筑风格,与欧洲建筑和伊斯兰建筑共同组成世界三大建筑体系.
在中国,大量木结构古建筑遗迹被保存下来,据统计,2013年共有4295个国家重点文物保护对象,其中包括1882个古建筑文物,占比43.82%,近总数的一半[1-2].
木结构古建筑由于历经风雨,并且经过长期荷载,木材性能下降,产生不同形式的破坏.其破坏形式主要有构件开裂,材料腐朽,受弯构件变形,节点脱榫等.
由于木腐菌的侵入,木材的颜色与结构会逐渐发生改变,细胞壁遭到破坏,导致木材物理,力学性能下降,变得松软易碎,呈筛孔状或粉末状,这种状态被称为腐朽[4].
古建筑的木构件在潮湿环境下会发生腐朽,常发生在构件的端部,尤其是柱根和屋面的角梁处[5].在屋面漏雨或缺乏通风时,更易出现糟朽情况,这会极大程度上降低木构件的承载力,当腐朽情况严重时,更会对古建筑整体结构的安全性构成隐患.
对于木梁和桁架等受弯构件而言,由于其跨度较大且经过长期荷载,构件自然老化,弹性模量及抗弯性能大大降低,会发生弯垂等变形现象,这种现象不仅影响古建筑的外观,最终还会使构件发生破坏.
榫卯结构是中国木结构古建筑各个构件之间的基本连接形式[6],榫卯的构造,功能各异,木结构古建筑中构件常见的榫卯连接形式有檐(内或金)柱榫,檐(内,脊枋榫),脊瓜柱榫,普拍枋榫,半榫,合柱鼓卯等,榫卯节点的"柔性"特点降低了结构的整体刚度,增大了整体结构的延性,使木结构古建筑在地震中受到的惯性力减小,具有抗震性能.
但从构件的变形和破坏的发展来看,古建筑的破坏也总发生在榫卯节点处,破坏主要表现为榫卯节点的滑移变形,弹塑性变形,榫卯连接松动等,最终导致脱榫,对整体结构造成影响[7].
保存现状原则也称原真性原则,是在对古建筑修缮加固时应遵循的基本原则,因为古建筑的重要价值就是它历经漫长岁月,记录下了各朝代的修建形式,所以应保留各时期的历史痕迹,尽量保存木结构古建筑的现状与原真性,修缮的重点应在于经常性的保养维护和加固,避免造成保护性破坏.当然,当古建筑构件已经损坏并影响到整体结构安全性时,应当进行修复[7-8].
近代以来,由梁思成,刘敦桢为代表的一些学者,主张"整旧如旧"的修缮原则,这一原则也获得了广泛的认同[10].1993年5月,我国开始实施"古建筑木结构维护与加固技术规范",规定结构可靠性的鉴定应根据承重结构中出现残损点的情况来进行评估,并规定了残损点的评定界限[11],这也和"整旧如旧"原则相吻合.其中对"旧"的理解是使古建筑恢复到其健康状态,而非刻意做旧,盲目地采用复古,仿古等简单方法去模仿,应使木结构古建筑焕发出其历史的美感[12].
当木柱只有表层腐朽,且能满足受力要求,不影响结构稳定时,可采用剔补加固技术,具体方法是先将腐朽部分剔除,然后对其进行防腐处理,再使用干燥后的木料依原样将木柱修补整齐并粘接,必要时外设2~3道铁箍进行固定.
当木柱柱脚部分出现严重的糟朽情况,但腐朽部分沿底部向上未超过木柱高度的四分之一时,可采用墩接柱脚的加固技术.具体方法是先将腐朽部分剔除,然后再利用木料,钢筋混凝土或石料进行拼接,用木料墩接时,可使用"巴掌榫","抄手榫"等榫卯式样,将木料与木柱严密对缝,然后外设铁箍固定;钢筋混凝土墩接一般用于墙内不露明的柱子,使用螺栓与原构件固定;石料墩接时,其尺寸应小于木柱直径100mm,然后用厚木板包裹,并外设铁箍固定[11-13].
通过对古建筑的梁架进行支顶,可以减小其挠度,这种加固方式的主要思路就是使用小木柱或者铁钩为梁架增加附加支座,改善木梁的内里分布,提高木梁的承载力.
支顶加固法会改变整体结构的传力体系,当遇到需要更换构件的情况时,需要卸除荷载,对其进行"落架",这种方法对构件甚至是整体结构容易造成损伤,且是不可弥补的[5].
化学灌浆技术就是将低黏度的树脂经过一定配比,制作成灌浆材料,然后加压注入到木材内部,采用这种加固方法,除了可以修补木构件的缺陷,增加其强度外,还可以使被加固构件的防腐,防虫能力得到提升,增加尺寸稳定性[13-14].
在木构件开裂较大,内部因虫蛀或腐朽形成中空的情况下,使用化学灌浆技术可以有效改善缺陷,但是这种技术无法修补木材内部细小的裂缝,具有一定的局限性.
对于梁,柱等构件而言,由于长期承受荷载并受到雨水侵蚀,会产生开裂现象,可以用铁箍对其进行包裹,之后用铆钉固定,这种方法主要是用铁箍的核心约束作用来提高构件的强度和刚度;在18世纪到19世纪时,国外一些木结构古建筑还使用锻铁带来固定木梁的开裂部位,如图1[15];
对于主要承重的大龙骨而言,可在其两端用铁钩对其加固,铁钩一端直接削尖或使用铆钉固定在龙骨上,另一端固定在与其相连的承重梁上,这种方法是通过铁钩端头或者铆钉的约束力来分担部分抗剪荷载.
对于榫卯节点而言,当其结构稳定性降低,出现拔榫等现象时就需要对其进行加固.加固方法通常是采用5~20mm厚的铁片进行连接或拉结,然后用铆钉固定,这种方法是通过铁片来对榫卯节点进行约束,增加构件之间的联系.
对于小型构件,可以使用铁钉进行拉结,铁钉的类型有穿钉,蘑菇钉,镊头钉,两尖钉等.这种方法是让铁钉承担部分拉,压,弯,剪力[16].
铁件加固技术可以有效提高木结构古建筑的承载力及刚度,但是也存在着诸多问题.
首先,由于木材具有干缩湿胀性,铁件会发生变形并且容易生锈,如果生锈严重就会威胁到整体结构的安全性;
其次,传统的铁件加固技术会采用铁件本身或铆钉以致对木构件造成破坏,导致木构件开裂,在破坏材料的同时还会造成新的安全隐患;
最后,铁件加固技术往往具有不可逆性,这种不可逆性不仅对木结构本身造成破坏,还给检修及更换造成困扰,当加固件发生老化时无法拆除,只能对木构件进行"二次加固",这种方法不仅影响美观,还会影响加固效果.
FRP(Fiber Reinforced Polymer/Plastic)即纤维增强材料,是一种高强度纤维与树脂基体结合而成的材料,由于其强度重量比高,易于加工等优点,在工业上得到了广泛的应用.其多样性反映在建筑行业,且已被广泛使用多年,特别是在加强混凝土结构中,近年来,该技术也被扩展到木结构领域中.根据增强材料的不同,常见的FRP包括玻璃纤维增强复合材料(GFRP),碳纤维增强复合材料(CFRP)和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)[17].
FRP最早被应用于航天航空领域,由于具有质轻高强,耐腐蚀性好,易裁剪等诸多优点,已经成为了国内外学者的研究热点,并得到了迅速发展.FRP在木结构建筑中的加固思路主要有抗弯加固,抗剪加固以及抗压加固.
FRP可以增强木梁的受弯性能,通常使用的方法是将FRP材料粘贴在木梁底部或者埋设在木梁内部,研究表明, FRP可减缓木梁在受拉时所发生的脆性破坏还能降低木材缺陷对抗弯性能的影响提高木梁的刚度和延缓破坏能力[18];在受拉面粘贴FRP布可以提高木梁的极限承载力[19-21];将芳纶纤维增强复合材料布(AFRP)粘贴在木梁底部,可有效减小木梁的蠕变挠度[22] ;使用FRP片材对杉木和柞木木梁进行加固,可以提高木梁的承载力与强度[23];使用碳纤维布(CFRP)加固木梁,经过试验和数值研究发现,采用由四层碳环氧单向层压板构成的薄外筋加固梁时可达到最大弯曲强度[24].
FRP还可以增强木柱的受压性能,研究表明,使用玻璃纤维布(GFRP)和碳纤维布(CFRP)横向缠绕于木柱周围,可提高木柱的抗压承载力改善木柱的延性[25] ;使用碳纤维布(CFRP)和玄武岩纤维布(BFRP)加固新疆杨木柱,木柱的承载力和纵向变形都得到了提高,且与加固层数成正比[26];使用玻璃纤维布(GFRP)加固桥梁木桩 结果显示即使在极端劣化后,仍能显著提高木桩的极限承载力和延性如图2[27].
近年来国内还有学者利用FRP对榫卯节点进行加固,具体方法是用化学试剂将节点处清洗干净,然后用FRP布对榫卯节点处沿木梁的纵向进行包裹,之后用环形纤维布箍紧并用胶黏剂将其粘牢,防止滑脱,这种方法可提高节点的抗弯,抗剪能力,还有效抑制了脱榫现象的发生[28].
FRP在木结构加固中的应用是近年来的研究热点,具有广阔的市场与发展前景,然而,由于缺乏统一的设计规范,很多情况下FRP的使用存在很大的限制.
在研究的过程中也存在一些问题,首先,FRP加固木梁后,对于其受剪性能的研究还是较少的,有待进一步研究;其次,通过FRP加固木结构后,其防火性能如何还需要进行探索[29];最后,榫卯结构是我国木结构古建筑的特点,但使用FRP只适合加固损坏程度较小的节点区域,且加固后对其强度和刚度的增强效果并不理想,这部分还需要进行新的加固形式的探索.
在受弯构件承受荷载之前,预先对其施加一定的压应力,可以帮助构件在承受外荷载时,抵消一部分拉应力,提高构件的承载力与刚度,还可有效抑制结构振动以及弹性变形.预应力技术在19世纪就被应用到混凝土结构中,之后得到了广泛的应用与发展[30],但采用预应力加固木结构建筑还是一种新兴的加固方式.
采用预应力技术可对古建筑木梁进行加固,研究表明,在木梁受拉区域粘贴碳纤维布,让碳纤维布产生拉应力,使木梁整体结构产生预应力,用这种加固方法可有效提高木梁的承载能力,刚度和延性[31].
采用体外预应力技术可对木结构桥梁进行加固与改造,体外预应力技术就是将预应力筋安装于构件截面之外的一种预应力技术,具有使用简单,施工方便,作用力大等诸多优点.
采用此技术可对木结构桥面板进行加固,如图3[32],随着时间的推移,预应力技术已经被应用于新建的木结构桥梁中,可对桥梁的主梁及桥面板进行增强,使木结构桥梁向着大跨径的方向发展.
近年来,国外还有学者用碳纳米管增强的聚合树脂对木结构古建筑进行修缮,这种修缮技术可以对腐烂,受虫害的木材部件或连接节点区域进行局部修复.采用碳纳米管树脂涂层涂于木构件表面或对木构件进行局部浸渍,可提高木材的承载力和抗弯强度[33].
这种方法还需要进一步的研究,首先需对碳纳米管树脂涂层的透气性进行更详细的研究,以便获得使涂层对蒸汽的渗透性最大化的碳纳米管含量;其次还需要研究在木材表面和结构中使用纳米材料的经济可行性.
木材作为一种天然的纳米复合材料,在纳米技术领域具有潜在的应用价值.复合纳米材料在木结构加固中的应用是一项尚未广泛应用的技术,但是纳米材料具有自清洁性,防紫外线功能,耐水性,阻燃性,抗划痕性,抗涂鸦性和防霉抗菌性等诸多优异性能[34-35],所以碳纳米管增强树脂在木结构中的应用具有广阔前景.
综上所述,木结构古建筑应遵循保存现状和整旧如旧的修缮原则,但是传统的加固方法在一定程度上均会对古建筑的外观以及材料本身造成破坏,而且不易维护与更换,大多具有不可逆性.
随着科技的发展以及新材料的出现,很多新的加固技术被应用于木结构古建筑加固与修缮的领域中,如FRP,纳米材料加固技术等.未来应把更多新材料,新技术引入到古建筑修缮这一领域中,并对其展开更广泛和深入的研究,采用更多环保,绿色的材料,优化施工程序,减少对木结构古建筑的二次甚至是多次重复加固,使加固方法向高效,经济和安全的方向发展.