古建筑木結構加固方法研究

徐 婷

(甘肅省文物考古研究所,甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

傳統的古建筑木結構在不同的破壞條件下會出現不同程度的損壞,通過有針對性的加固,可以使其恢復正常受力狀態,維持古建筑結構平衡穩定,從而達到延長古建筑壽命的目的。近幾年,隨著科學技術的進步,古建筑木結構加固方法也多種多樣,有些木構件采用纖維增強復合材料進行加固,有些采用傳統挖補、包鑲方法加固。學者們通過大量的試驗對古建筑木結構加固方法進行了研究,如對木構件的抗彎、抗拉、抗壓、抗剪強度,不同方向的彈性模量,承載力、疲勞性能、抗震性能等方面的檢測,提出了有效、經濟、可發展性的保護方法。本文從古建筑木結構特點入手,對其開裂、糟朽、蟲蛀、歪閃等各種不同類別的損傷進行了探討;然后,著重討論了不同損傷類型木構件的加固方法,以及新技術新材料的應用,完善加固措施,提高古建筑保護水平。

1 古建筑木結構的結構特點

1.1 木材為主要建筑材料

木材是我國古代建筑的重要原材料,因其具有良好的彈性、韌性,取材容易并且紋理色調豐富美觀而被廣泛使用。傳統木結構建筑擁有獨特的結構形式,柱、梁、檁等構件形成框架體系支撐著屋頂,屋頂與四周墻體圍合成一個封閉空間,可以滿足當時的居住要求。木材不僅力學性能好,能夠保證建筑的安全性、穩定性,而且易于加工,造型變化多樣。隨著社會的發展及科技的進步,古建筑的結構形式日益完善、豐富,外觀也更加美觀,具有獨特的魅力。

1.2 顯著的抗震性能

木結構古建筑的抗震性能是十分優越的,許多古建筑在經歷了數次大大小小的地震后依舊完好,就能證明這一點。這是因為我們的古建筑是由很多木構件組合而成的框架結構,木材本身具有彈性,容易變形但變形后具有一定的恢復能力,而且木構件之間的連接是榫卯形式,榫卯是一種柔性連接,地震時不容易被破壞,比起鋼筋混凝土結構的剛性連接具有較好的整體性;有些古建筑中還有斗拱,斗拱在柱和梁之間,將屋頂的荷載傳遞給柱子,地震時斗拱像彈簧一樣可以緩沖上面傳來的巨大能量,同時還有額枋和地袱將所有柱子緊緊地拉結在一起,使房屋具有更強大的整體性,所以,俗話說“墻倒柱立屋不塌”,可見木結構古建筑的抗震性十分優秀。

2 破壞類型

古建筑木結構在人為破壞和自然環境的風吹日曬或風雨雪荷載長期作用下,木材性能、結構承載力都會有一定的降低,從而引發各種各樣的損傷,常見的損壞有以下幾種。

2.1 開裂

開裂是由于有些木材在制造過程中,因未進行充分的烘干晾曬,導致表面部分干燥比較徹底,而木質內部纖維的收縮和震動不均勻,隨著時間推移,木材因自身的收縮運動而出現裂紋;或由于梁、柱受荷載時間過長,木材本身材質發生一定程度的退化,力學性能出現下降趨勢,使其在外力作用下容易產生裂縫。開裂形式主要有表裂、內裂、端裂(劈裂)、輪裂四種,其中表裂和劈裂最為常見。

2.2 糟朽

引起木材腐朽的最主要原因是木腐菌的侵害,木腐菌是一種真菌,它會將木材本身分解為簡單的養分供自己攝取,從而造成木材的腐壞。如果木材的含水率為30%～50%,并且長時間處在10～30 ℃,在不通風、潮濕的環境下,木構件極易發生腐壞現象。最常見的部位是立柱根部和屋頂的角梁部分,這是因為柱的根部本來就比較潮濕,有些被完全包裹在墻壁中,缺少干燥和通風的環境,時間長了,就會發生不同程度的腐朽;角梁處于屋頂的位置,在屋頂漏雨的情況下,經常會由于積水而發生腐朽。腐朽會導致柱、梁、檁等構件有效受力截面的減小,導致整體的抗壓、抗拉、抗彎值下降,從而破壞了建筑物的安全性和穩定性。

2.3 蟲蛀

受到外界環境的影響,如在一定的溫度、濕度下,昆蟲可在木材內產卵、孵化成幼蟲,蛀蝕木材。蛀蟲通常會將木材咬出一個個針孔大小的孔洞,在木材的表面或內部形成貫通或封閉的孔隙使木材呈海綿狀,然后從孔隙中脫落出白色的木屑,使木材的強度變差。這種損害不僅會對古建筑的外觀造成影響,而且會使木構架承載力降低,隨著時間的推移,嚴重時很可能會導致木質柱、梁、檁、枋等受力構件彎曲變形或折斷[1]。

2.4 拔榫

在古代建筑中,榫卯連接是古建筑中常用的連接工藝,用構件上的凹凸部分增強抗拉拔能力,主要以柱和梁、柱與枋、柱與檁的聯連接為主。但是在長時間的外力作用下,或因木材自身發生的收縮,導致梁、柱節點位置很容易發生錯位。拔榫后,梁、柱構件的有效受力截面減小,容易產生拉、壓、彎、剪等破壞,進而影響構件整體的力學性能。

2.5 彎垂

在古建筑木構件中,梁、檁、枋等長期受到橫向力和剪力的作用,導致構件彎曲變形,若變形超過臨界值還會出現劈裂現象。所以,當構件的撓度超過規定限值時,應及時采取加固手段進行處理。

3 古建筑木結構加固保護的原則

3.1 不改變原狀原則

古建筑是我國古代政治、經濟、文化及社會活動的載體,可以反映一定時期內政治、經濟、文化、社會生活的水平及特征。所以,在對古建筑木結構加固的過程中,一定要堅持不改變建筑原狀的原則。原狀有兩層含義:一是恢復原狀,二是保存現狀。當要維修的古建筑資料齊全,有可靠的科學依據,并且修繕技術成熟時,可以考慮恢復原狀。當古建筑要恢復的原狀沒有依據,或依據不充分,抑或修繕技術尚不先進,則應當保存現狀,待時機成熟時再恢復原狀。在修繕時還應注意:保存古建筑的原結構、原形制、原材料、原工藝,避免古建筑在維修過程中受到破壞。因為改變了原來的結構、形式、構件、做法,古建筑就失去了其原本的價值,也就失去了保護古建筑的意義。但是,對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,應當予以清理拆除。

3.2 最小干預原則

在對古建筑殘損進行勘察的過程中,應遵循最小干預原則,最大限度地保持木結構古建筑的真實性和完整性,從實際出發,避免過度修繕,制定最優維修方案,保護古建筑獨有的歷史、藝術、科學價值。

3.3 可逆性原則

在對古建筑進行加固時,要遵循可逆性原則,更換的構件、緊固材料、連接構件應便于拆卸,以便日后拆除的時候,既不會對原有的建筑物結構造成損傷,又方便維護,還不影響今后利用更先進的材料和技術對古建筑進行更合理的維修保養。

4 古建筑木結構加固方法

4.1 整體維修與加固

4.1.1 修整加固

如果木構架有微小變形,構件位移不大,可用修整方法加固。這種方法是在不揭除瓦頂,不拆動構架的情況下,直接對木構架進行整體加固。

4.1.2 打牮撥正

打牮撥正是先將瓦頂揭除,拆下望板,但不拆落木構架,而是將構件支頂起來,解除構件承受的荷載,將傾斜、扭轉、拔榫的構件重新歸位撥正后,再進行整體加固,殘損嚴重的受力構件必須及時進行更換。在實際維修過程中,有時只需要打牮,不用撥正,比如抽梁換柱。

4.1.3 落架大修

當主要的承重構件殘損嚴重時,就需要將所有或局部的木構架拆落,把破損的構件逐一修復或更換,重新裝配,并在安裝過程中對整個結構進行強化。拆除時先揭除瓦頂,由上而下分層拆落望板、椽子、檁條、梁架。拆落前做好標記編號,并采取保護措施,以保證木構件不受損壞。

4.2 局部構件加固

4.2.1 挖補與包鑲

若柱子只是輕微的糟朽,柱芯完好,不影響柱子的應力,表皮糟朽不超過柱子直徑的1/2時,可采用挖補方法加固。先將糟朽的部分挖除,所剔的補洞內壁應向里傾斜,洞底剔鑿平整、無雜質,然后選用和柱子木質一樣的木塊將補洞楔實緊密,再用膠粘結或釘子釘牢,將釘帽嵌入柱皮內,最后修整成柱身原有形狀。若柱子糟朽部分較大,沿柱身周圈一半以上,深度不超過柱子直徑的1/4時,則采用包鑲方法加固。同樣需要先進行挖除糟朽部分,補塊楔實緊密,粘結牢固,然后在補塊較大的部位加鐵箍1～2道,鐵箍接頭搭接處用釘子釘牢,鐵箍外皮與柱子外皮保持齊平。梁枋等構件局部糟朽也可用挖補、包鑲方法加固。

4.2.2 裂縫嵌補

柱子的裂縫深度不超過柱徑或該方向截面尺寸1/3時,裂縫寬度小于3 mm時,用膩子勾抹嚴實即可。裂縫寬度在3～30 mm的用木條嵌補,并用膠粘牢。裂縫寬度在30 mm以上,深度在柱徑截面尺寸的1/4以內時,也用木條嵌補粘牢,木條選用順紋通長的,另外還應在柱的開裂段加2～4道鐵箍,開裂較長時,可適當增加箍的數量。若木柱有較大的斜裂或者裂縫寬度過大影響柱子的允許應力時,應考慮更換。

梁、枋、檁等構件的開裂可由多種因素造成,隨著裂縫的出現,承載力也會降低,因此,應采取相應的加固措施,對于輕微的裂縫,可用鐵箍直接加固。裂縫較大時可用木條嵌補密實,用膠粘牢,并加設2～4道鐵箍。

4.2.3 化學材料澆鑄加固

當柱子遭到蟲蛀或者細菌侵害,柱子外皮完整,柱芯糟空,可用不飽和聚酯樹脂澆鑄加固。不飽和聚酯樹脂由304號不飽和聚酯樹脂、1號固化劑、1號促進劑、石英粉按一定的配比制成,它是一種熱固性工程塑料,具有強度高、比重小、防腐性能好、加工成型方便等優點。澆筑時要先加上扶柱,解除柱子承受的荷載,在柱子的一面分段開澆鑄槽,將柱內糟朽部分和雜質全部剔鑿清理干凈,堵住漏洞,進行澆鑄,澆鑄后,用木料將槽口封閉,用膠粘牢。

4.2.4 墩接

當柱腳腐朽嚴重,但自柱底面向上未超過柱高的1/4時,可采用墩接柱腳的方法處理。

(1) 木料墩接:將腐朽的部分剔除,選擇墩接的榫卯式樣(陰陽巴掌榫、蓮花瓣榫),再加設鐵箍。

(2) 石料墩接:可用于不露明的柱,也可用于柱腳腐朽部分高度小于200 mm的柱。若是露明柱可將石料加工為小于原柱徑100 mm的矮柱,周圍用厚木板包鑲釘牢,并應在原柱接縫處加設鐵箍一道。

4.2.5 支頂加固法

木結構古建筑中,梁、檁、枋等水平構件長期受到自身重量和上部荷載的作用,導致出現彎垂現象,一般情況下,當梁的垂度與跨度之比大于1∶120時,應采取加固措施,否則變形超過一定的限值就會劈裂、斷裂,嚴重影響古建筑結構安全。加固時通常在彎垂部位的底部加設鐵板或鋼板,在下方支頂柱子,以分散木梁上的荷重。有時還會采用木質隔墻來支頂。但是這兩種方法會使房屋內部空間使用受到限制,為了使空間不受影響可以加設附加梁,即在前后檐柱的內側各加一根木柱,木柱上托一根附加梁,以附加梁支撐原來的梁來增強梁的承載力。

5 新技術在木結構維修中的應用

為了更加科學、持續、規范地對古建筑進行保護,踐行預防性保護理念,各種先進的科學技術也逐漸被廣泛應用到文物保護工作中,如三維掃描技術、紅外技術、遙感技術、超聲波無損探傷技術、元素分析儀等,借助先進科學手段能夠盡早對文物進行風險分析和評估,及時做出有效的風險防范措施,消除不利因素,使文物得以健康長久保存。

5.1 超聲波無損探傷技術

古建筑中的木柱、梁等構件,往往外表完好,但是內部卻存在孔洞、裂縫、腐朽等病害,使古建筑存在安全隱患。超聲波無損探傷技術是檢測木材內部缺陷的一種常用有效方法。超聲波頻率高于20 kHz,是一種頻率很高但波長較短的機械波,它由物體振動產生,可以在介質中傳播。在不同樹種的木材中傳播的速度不同,有較高的能量、良好的方向性、很強的穿透力;在傳播過程中還會因為介質的變化發生折射、反射等現象;如果傳播距離遠,波的能量會減小,波形曲線的幅值也會相應減小;如果內部腐朽程度嚴重,波的傳播速度就會減小。根據以上特點,采用智能超聲波檢測儀從不同方向對木材進行超聲掃描,進而采集數據,建立坐標,整理數據,進行波形分析,可得到木材內部損傷的位置及大小,根據檢測結果再對木構件進行維護、加固,消除隱患。

5.2 碳纖維增強復合材料(CFRP)的應用

在對古建筑木構件進行修補時,由于木構件的彈性模量不高,易發生變形,所以在進行加固時,可以將高強度的復合材料與木材相結合,以增強構件承載力,從而達到古建筑的設計要求。碳纖維材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強體,以樹脂為基體的一種復合材料。碳纖維復合材料強度高、剛性好、抗拉力強、耐高溫、韌性好、熱膨脹系數低、抗疲勞性和抗蠕變性好,而且自重輕、成本低、施工便捷,還符合古建筑加固中可逆可識別的要求,所以被廣泛地應用在文物保護工程中。碳纖維材料是將碳纖維絲拉伸,然后浸潤環氧樹脂,再用專業的機器擠壓成型,常用的有碳纖維布和碳纖維板。對于底部受壓破壞的木構件,可以在構件底部張拉碳纖維布,用碳纖維布強度高的優勢提高木構件底部的抗壓強度。對于構件榫卯連接處較大的變形位移,可以設置碳纖維板,用它良好的彈性模量,控制構件的變形位移,提高構件承載力。對于受剪力破壞的構件,可以在構件破壞的區域粘貼碳纖維布來提高木構件承載力。另外,碳纖維還具有較好的抗腐蝕能力,將其與木材相結合,可有效地改善木結構老化、腐朽問題,延長木構件使用壽命。

近年來,隨著社會的發展和科技的進步,出現了許多新材料、新技術,有些技術已經發展成熟,為文物保護工作提供了新思路、新方法,可以安全可靠地應用在古建筑維修加固工程中,還有一些新材料雖然擁有十分優越的力學性能,但在生產制備、安全環保等方面還有一些沒有攻克的難題,暫時不能推廣應用。比如碳納米管,雖然它具有許多異常優秀的力學、電學和化學性能,被稱為“超級纖維”,但在生產時,為了獲取到質地均勻、缺陷少的單層管需要消耗更多的能量。此外,研究人員發現碳納米管會對人體造成一定傷害,如接觸后皮膚過敏,吸入后形成肺癌等。在其生產過程中殘留的鎳、鉻和其他金屬還會對環境造成很大的影響,甚至污染水體,造成某些水生生物的死亡等。如果能夠解決碳納米管經濟環保、大量生產的問題以及其他不良影響,碳納米管復合材料以它良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性,將具有廣闊的應用前景。

6 結束語

綜上所述,對古建筑木結構進行加固時,要注意遵守“不改變文物原狀原則”,正確把握不改變原狀的含義,根據木構件的損壞程度和類型,選用合適的加固方法,滿足現有的設計規范,避免因加固損壞古建筑的價值。注重將傳統加固方法與現代加固技術相結合,傳統材料和新材料靈活應用,取長補短,發揮各自優勢,不斷完善和發展古建筑木結構加固技術體系。