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古建筑物的主要破壞形式及其加固維修方案

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一、

這些古建筑是我國的重要歷史文化遺產,但由于受到環境溫濕度變化的長期影響及木材本身的缺陷,木構件中產生了開裂的現象,使得構件的承載力降低,進而影響整個結構的安全,因此對這些構件進行加固非常必要。

木梁作為木結構中的主要受力構件,其受力性能對整個結構安全至關重要。由于木材是一種各向異性的自然材料,其順紋抗剪強度和橫紋抗拉強度很低,且古建筑中的木梁由于處于荷載長期作用,木梁中產生沿縱向的裂縫。


二、木梁的主要破壞形式

古建筑中的木梁由于受到自然環境的長期作用及服役時間長,其物理力學性能會下降,因而產生不同的破壞類型,主要包括如下3種破壞形式。

1、腐朽破壞

對于長期處于潮濕環境中的古建筑木梁,會發生構件的腐朽破壞,例如屋面的角梁:

腐朽破壞

腐朽破壞

由于角梁的位置在屋面,當屋面漏雨時,會因為積水而對木梁產生腐朽破壞。腐朽會造成梁構件的抗拉、壓、彎、剪等截面面積的減小,從而導致其承載力降低,對整個木結構非常不利。

2、開裂破壞

木梁中主要會產生兩種裂縫。一種為由于木材橫紋抗拉強度和順紋抗剪強度低導致的沿木梁縱向的受力裂縫,該裂縫一般尺寸較大:

開裂破壞

開裂破壞

一種是由于構件在制作當時含水率較大,又由于環境中含水率的變化,木梁中的水分會和環境中的水分含量達到平衡,在這個過程中,木梁表面會產生干縮裂縫。裂縫會使木梁的材質下降導致其抗拉、壓、彎、剪等性能降低,木梁在荷載作用下初始裂縫會進一步開展。

3、拔榫破壞

古建筑中連接(梁與梁之間及梁與柱之間)主要采用榫卯連接的形式,這些連接作為結構的重要組成部分,其力學性能對整個結構的性能至關重要。在長時間外力作用或木材本身收縮等因素影響下,這些連接處很容易發生拔榫破壞:

拔榫破壞

拔榫破壞

拔榫使得梁、柱構件有效受力截面面積減小,容易產生受拉、壓、彎、剪破壞,對結構整體性造成一定影響。

三、木梁加固方法

1、古建筑木梁加固原則

我國的古建筑?;ぶ饕讕菀韻氯糠ü媸┬?。首先為?;の奈锝ㄖ襖返囟蔚墓氏苷輪泄娑ǖ墓漚ㄖ;ぴ?,主要為1964年在意大利威尼斯通過的《威尼斯憲章》,憲章指出“修復過程是一 個高度專業性的工作,其目的旨在保存和展示古跡的美學與歷史價值,并以尊重原始材料和確鑿文獻為依據?!?/span>

當加固對象為與社會公益相關的文物建筑時,憲章規定“決不可以變動它的平面布局或裝飾”。其次為1982年國家頒布的《中華人民共和國文物?;しā?,它將文物?;さ母拍钅扇敕煞凍?;在1992年9月發布了國家標準《古建筑木結構維護與加固技術規范》,其中規定“古建筑的維護與加固,必須遵守不改變文物原狀的原則。原狀系指古建筑個體或群體中一切有歷史意義的遺存現狀。若需恢復到創建時原狀或恢復到一定歷史時期特點的原狀時,必須根據需要與可能,并具備可靠的歷史考證和充分的技術論證?!?/span>

由以上綜述可知,古建筑木梁加固主要遵循歷史建筑?;さ摹霸嫘?、必要性和可逆性”,最大限度地保持古建筑的原有風貌,滿足“修舊如舊”的修繕原則。

2、 已有工程中的修復方法

(1)剔補和嵌補

剔補的方法是直接將構件中的腐朽部分清除,經防腐處理后根據原尺寸形狀補上干燥木材,并用耐水性膠黏劑粘牢;

剔補的修復方法

剔補的修復方法

嵌補的方法適用于梁的水平裂縫深度小于梁寬或直徑的1/4時,用木條和耐水性膠黏劑粘牢,并將縫隙粘貼嚴實。剔補和嵌補的修復方法僅在外觀上對構件有一定修復作用,但難以恢復木梁的整體工作性能,不是一種行之有效的修復方法。

(2)加鐵箍加固

可在木梁的表面進行鐵件環箍處理來修復木梁,該對受損構件進行修復加固方法的工程應用歷史較悠久,在清代的《工程做法》中就有關于加鐵箍對木構件進行修復的詳細規定。該方法對木梁的修復有一定效果,但是鐵件容易銹蝕,銹蝕后的加固效果會大大削弱。

(3)下撐式鋼拉桿加固

下撐式鋼拉桿加固木梁的形式較多,下圖左列出了一種較簡單的加固形式,該方法一般適用于加固 截面小、承載力不足或者撓度過大的梁。在加固前,需檢查木梁端頭的材質是否腐朽或蟲蛀,只有在材質較完好的條件下才能保證拉桿的固定牢靠。

(4) 夾接、托接方法加固

對于梁端木材發生腐朽、蟲蛀時,可采用夾接或者托接的方法來加固木梁。將木梁進行臨時支撐,當多個樓層的梁加固時,各支撐點應上下對齊,在臨時支撐完成后,鋸去木梁損壞的部分,采用夾接、托接方法進行加固,下圖右為該方法的示意圖。這種加固方法對構件的外觀影響較大,不適用于對外貌有嚴格要求的建筑。

下撐式鋼拉桿加固(左)及夾接加固方法(右)

下撐式鋼拉桿加固(左)及夾接加固方法(右)

由以上綜述可知,已有工程中的修復方法不能實質上增強木梁的整體工作性能,或者在環境長期作用下存在耐久性問題,或其僅適用于木材本身材質較好的情況,或對構件的外貌影響較大,這些修復方法均存在不足和局限性。

3、現代加固技術

(1)纖維布加固木梁

纖維布由于其幾何可塑性強及自重輕等特點而廣泛應用于木結構的加固,纖維布沿其紋路方向的抗拉強度很高,而木材的順紋抗壓強度較高,在FRP加固的木梁中,這兩種材料的性能都能得到很好的利用,并且材料間具有良好的粘結性能,能夠很好地協同工作。

FRP加固木梁

FRP加固木梁

(2)自攻螺絲加固木梁

自攻螺絲是一種隨著現代工藝發展而制造出的新型的產品,由于其帶有自攻鉆頭,能方便貫入木梁中而不影響木梁本身的性能,自攻螺絲的抗拉強度較高,當其沿著垂直木材橫紋方向貫入木梁中時,能和木材間建立良好的粘結,提高木梁的橫紋抗拉能力和順紋抗剪能力,增強木梁整體工作性能,從而達到提高木梁承載力的作用。

自攻螺絲及其與木材間的粘結

自攻螺絲及其與木材間的粘結


4、結語

本文分析了古建筑木梁可能發生的破壞形式,并對其修復加固方法進行了詳細的評述,在此基礎上提出了一種新的修復木梁的方法。主要結論可總結如下:

1) 古建筑木梁由于木材本身的缺陷或者環境的長期作用,容易發生腐朽、開裂及拔榫破壞等現象。

2) 已有工程中有許多修復加固木梁的方法,但均有其局限性,并不能廣泛適用于木梁的修復加固。

3) 已有相關研究表明FRP 在修復加固木梁方面有良好的效果,對其承載力、剛度和延性均有一定提高。

4) 自攻螺絲作為一種新型修復加固木梁的方法,通過增強木梁的整體工作性能達到較好的修復效果,并且施工方便,施工完成后對外觀完全沒有影響。


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