異地遷建木結構古建筑抗震加固技術研究

王 卓 徐大為 鄔荒耘

上海建工五建集團有限公司 上海 200063

古建筑作為我國歷史建筑文化的重要組成部分，對于各時期各民族而言具有重要的地位。其中，作為中國古建筑的主要結構體系——木結構，在一些古老的公共、民用建筑中十分常見。而現存的古建筑，由于建造年代久遠，在歷史的傳承中受到了各種因素的破壞，再加上多年來的保護不當、年久失修，導致現存古建筑木結構絕大多數處于待修繕和保護狀態，所以對古建筑木結構遷建改造技術的研究也是古建筑木結構現代化保護的熱點課題[1]。

由于古建筑木結構柱本身抗彎強度較低，且下端主要采用鉸接，整體側向剛度較小，所以對于木結構的抗震加固，既是現行設計規范的要求，也是古建筑木結構現代化改造和發展中亟待解決的問題。本文采用一種提高木結構抗震性能的鋼骨架加固方法，并通過計算驗證了此方法的正確性，可為后續古建筑木結構工程的抗震加固提供參考。

1 古宅遷建概況

本項目的26棟新建古宅主體為穿斗式木結構，山墻為磚混結構，設有1層地下室。地上1層，建筑高度6.1 m，單個古宅面積約26.4 m×19.4 m。通過異地重建為相互獨立的院落，并根據功能使用需求，增設了一些輔助功能用房。古宅采用原修建于明-清代的磚、木、瓦結構民宅拆除下來的古建筑材料，為原貌移建并改良設計建造于該地塊內的古建筑[2]。

但并非所有材料都是原生的古建材料，主要是部分木框架和墻體砌筑所用的砌塊，以及一些古建筑標志性的構件，如大門上的各種藝術雕刻，木結構主要依靠后期的加工和還原。古宅院落如圖1、圖2所示。

圖1 古宅木結構拼裝完成

圖2 古宅院落竣工實景

古建筑木結構的遷建改造重難點在于原貌移建還原施工全過程管理以及利用現代建造方法、新材料技術進行加固改造，以滿足建筑的安全性、適用性和耐久性功能要求。古建筑木結構的遷建改造施工過程主要有：拆除工程、構件運輸、構件修整、預拼裝、拼裝施工、加固及改造工程、裝飾工程、屋面工程施工，如圖3所示。整個施工過程的關鍵技術控制尤為重要，將新型建材應用到徽派建筑中以及運用現代科學的施工技術，基于徽派建筑的發展以及其當代價值體系，使得徽派建筑適應時代發展、契合現代建筑使用功能，將古建筑美學與當代的建筑實用性完美結合。

圖3 構件拆除、修整、拼裝

傳統徽派建筑以磚混結構和木結構為主，本項目采用部分新型鋼框架外掛石材或木材的復合墻體，在保持建筑風格的同時滿足現代化功能需求。新型防水涂料、卷材等以其優異的施工便捷性、節能環保、力學性能、耐老化以及抗滲透性能在本項目中得到了廣泛應用，給古宅屋面、地面等防水工程提供了解決方案。新建客房墻體基層為鋼架，在室內外溫差作用下，易使室內結露、受潮，導致室內木飾面受潮發黑，為解決此問題，采取了增加泡沫玻璃材料的保溫技術措施。

采用現代化建造技術措施，科學布置自動噴淋系統，管路隱藏于屋面隔層中，通過梁底開設小孔留出噴淋頭；屋頂采用避雷短針加暗敷避雷帶的防雷系統，避雷帶設置在屋頂構造里，通過計算露出少量的避雷短針，不改變古建筑的原貌；采用鋼木組合結構，通過設計不同的組合形式，可以滿足各種功能布局的需求，解決了木結構在使用空間上的局限問題，如圖4所示。

圖4 鋼木組合結構應用

2 古建筑木結構抗震加固技術研究

2.1 木結構加固概述

目前，古建筑木結構加固研究主要在于木構件本身以及節點加固，一方面采用鋼木等組合結構進行原木構件的修繕和替換；另一方面采用傳統的加固方法進行結構加固，如外包鋼板、增大截面、增設支點以及碳纖維布粘貼加固等方法。此類方法主要在提高古建筑木結構的承載力和安全性能方面有著明顯的作用，但對于結構整體的穩定性以及抗震性能貢獻較小。因此研究一種利于結構整體的抗震加固方法十分有必要。

2.2 鋼骨架抗震加固技術

通過對本項目中古宅院落木結構的受力分析和研究，針對原木結構抗震性能不符合要求的問題，采用了一種受力合理、施工便捷、經濟環保、能保證古建筑風貌的隱藏鋼骨架加固方法。鋼骨架整體結構平面如圖5所示。

圖5 鋼骨架加固整體示意

2.2.1 主要技術方案

加固鋼骨架設置在木結構的山墻位置，采用鋼框架結構形式，框架柱底部與基礎可靠剛接，通過短柱與木結構連接成整體受力，形成加固體系。該方法提高了木結構的整體剛度和穩定性，同時鋼骨架隱藏在山墻之中，不會改變古建筑原有的風貌。

鋼骨架與一榀木框架平行布置，鋼骨架為由鋼材組合而成的框架結構形式，包括框架柱、低橫梁、邊橫梁、中間橫梁以及與木結構連接的短柱。每榀鋼骨架組成相同，但是柱距和梁長根據木結構的形式可能有所不同。框架柱、低橫梁、邊橫梁、中間橫梁通過可靠連接組成鋼骨架后，柱下端均與基礎連接牢固，通過鋼短柱與木結構可靠連接形成整體。鋼骨架中柱和梁為焊接或者螺栓連接，鋼骨架與木結構可采用螺栓連接或使用其他連接件的可靠形式，鋼骨架與基礎可采用螺栓連接等方式，所有連接節點在結構受力時視為剛接點。各部分材料及規格如表1所示。

表1 鋼骨架各構件材料及規格

本文鋼骨架抗震加固方法的優勢有：

1）加固后的整體結構抵抗水平力主要由鋼框架柱承擔，而且鋼骨架中橫梁和木結構梁形成了封閉整體，加強了原木結構的側向剛度和整體穩定性，從而提高了抗震性能。同時，對木結構的強度及承載能力也有一定的提高。

2）加固鋼骨架隱藏在古建筑木結構的山墻位置，保持了原古建筑風貌特征，且鋼骨架組成中，框架梁都為水平方向，方便后續山墻施工。

3）鋼骨架的數量和鋼柱、梁的長度都可以隨著木結構的形式而改變，且鋼骨架采用普通的鋼材。本文提供的抗震加固方法對木結構的適應性較好。

2.2.2 加固木結構施工方法

1）進行鋼骨架的拼裝施工。根據上述步驟設計的鋼骨架，建立實際模型進行抗震驗算通過后，按照設計的鋼骨架，準備好需要的鋼柱、橫梁以及短柱，然后進行節點的連接施工，全部連接拼裝完成后，一榀鋼骨架完成。

2）完成鋼骨架加固處的木結構拼裝施工。在木結構主體框架拼裝施工過程中，施工到設置鋼骨架的一榀木結構處，保留一定的施工空間，準備進行鋼骨架的吊裝。

3）鋼骨架整體吊裝到相應位置后，設置臨時固定措施，然后進行端梁與木結構節點的連接施工。所有節點連接完畢后，一榀鋼骨架加固施工完成。有多榀鋼骨架施工，依次按照上述步驟安裝。

2.3 鋼骨架抗震加固分析及驗算

根據鋼骨架抗震加固方案對原古宅木結構進行加固后，對比分析加固前后整體結構的抗震性能指標，驗證鋼骨架加固方法的合理性和正確性。

2.3.1 模型建立

古宅為1層木框架結構，取3榀木框架組成的一個單元分析。屋檐高4.0 m，平面尺寸為7.52 m×6.60 m，坡屋頂最大高度為2.5 m。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.1g，設計地震分組為第一組，二類建筑場地。基本風壓為0.45 kN/m，基本雪壓為0.45 kN/m。模型中屋面恒荷載取值4 kN/m2（不考慮自重），按GB 50165-92《古建筑木結構維護與加固技術規范》，活荷載取值0.7 kN/m2，考慮施工附加荷載，總體取值2 kN/m2。

本文運用PKPM軟件對一個單元建立木框架結構模型，通過材料自定義設置木結構的參數。木結構柱距為1.36、2.70、2.10 m，跨度為3.0、3.6 m；加固鋼框架為山墻兩側，鋼框架柱距和木框架柱距相同，鋼框架與木框架通過縱梁連接一起，實現縱向共同受力。

框架柱與框架梁以及與地面均為剛接，框架梁之間采用鉸接連接方式，構件的截面尺寸見表2。

表2 構件截面尺寸及材料性能

通過以上受力分析及構件信息，建立木結構加固后模型，具體的模型如圖6所示。

圖6 鋼骨架加固后整體模型

2.3.2 分析及驗算

經過計算，對加固前后結構抗震指標進行對比，得到各指標的提高程度，結果如表3所示，結構抗震性能計算云圖如圖7、圖8所示。

表3 抗震分析指標對比

圖7 計算振型、位移、內力云圖（加固）

圖8 計算振型、位移、內力云圖（未加固）

2.4 計算結論

通過上述抗震計算結果看出：加固后，整體結構的最大地震力和基底剪力變大了，增大幅度為27%～33%；最小剪重比和剛重比提高較明顯，提高幅度為2%～113%；平均樓層位移、最大層間位移角、最大位移比、最大層間位移比均有不同程度的提高，提高幅度為3%～89%。根據分析可得出以下結論：

1）通過振型、位移、內力云圖可以明顯看出，加固后較加固前的內力及位移明顯變小，表明此加固方式對結構強度和剛度均有一定的貢獻，加固效果較好。

2）各振型下整體結構的最大地震力和基底剪力變大，加入鋼骨架加固后，結構整體質量增加，地震力的大小與質量成正相關，所以地震力與基底剪力的增大與實際工況一致，間接說明了模型分析的正確性。

3）最小剪重比和剛重比提高明顯，表明采用鋼骨架加固后側向剛度提高程度較大，鋼骨架質量增加比例低，結構較合理。

4）最大樓層位移、位移角、位移比指標的提高表明加固后增加了側向剛度，變形較小，滿足結構的適用性功能。且從X、Y向的變形對比分析可知，總體Y向的變形較X向大。由于鋼架平面與X向平行，所以X向剛度較大，變形小，計算剛度分布符合結構理論規律。對比可知，加固后對剛度小的方向剛度提高程度較大。

5）Y向剛度不僅與鋼骨架側向剛度有關，也與木結構屋頂結構縱向傳力構件有關，模型中簡化了屋頂檁條、系桿等結構，實際Y向剛度較分析模型大，本次分析比較保守。

3 結語

本項目采用原址古建筑民宅拆除的材料進行異地重建。通過對工程中木結構遷建施工及抗震加固技術的研究，總結了關于古建筑木結構異地重建改造成套施工技術，并提出了一種用于古建筑木結構的鋼骨架抗震的加固方法，通過計算對該方法進行了驗證。結果表明此加固方法是正確與合理的，可為后續類似古建筑遷建工程積累一定的參考經驗。