古建筑木結(jié)構(gòu)木柱加固技術(shù)研究
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摘要：在古建筑木結(jié)構(gòu)的殘損問題日趨嚴重的背景下，合理對其進行加固處理并選擇適宜的加固技術(shù)顯得尤為重要。其中木柱作為主要的承擔軸向壓力構(gòu)件，它的承載能力以及穩(wěn)定性對整體結(jié)構(gòu)的安全性能影響最大。本文總結(jié)了我國主要的木柱加固技術(shù)，包括不同加固材料的應用、不同加固情況對加固效果的影響，并從加固目的方面客觀分析了各加固技術(shù)的優(yōu)缺點，提出今后在加固木結(jié)構(gòu)建筑方面的建議?？蔀檠芯抗沤ㄖ窘Y(jié)構(gòu)木柱的適宜性加固技術(shù)的人員提供參考，從而更好的進行古建筑修繕保護工作。
關(guān)鍵詞：木結(jié)構(gòu)；木柱；軸向壓力；加固材料
前言
現(xiàn)存的古建筑木結(jié)構(gòu)大多經(jīng)歷了數(shù)百年的歷史，是我國寶貴的遺產(chǎn)，正是由于歷史悠久，古建筑出現(xiàn)了不同程度的殘損。木柱是主要承擔結(jié)構(gòu)豎向荷載的構(gòu)件，但是柱身出現(xiàn)不同程度的糟朽、開裂，減小了柱子的有效截面，降低了承載能力，極易出現(xiàn)柱子折斷或歪閃的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)局部失穩(wěn)的情況，對古建筑造成不可逆轉(zhuǎn)的損失，因此選用適宜性的加固技術(shù)對古建筑進行修繕保護工作有重大意義。針對不同的殘損情況，木柱傳統(tǒng)的加固方法主要是采用鐵釘、螺栓、鐵箍、鋼筋、附加梁板、附加斷面進行加固【1】，近幾年由于科技發(fā)展纖維增強復合材料被應用到木結(jié)構(gòu)加固中來，但是無論何種加固方法都應盡可能地保留建筑物的原貌，做到“修舊如舊”。我國的研究學者進行了大量的加固試驗，從加固柱的抗彎、抗剪性能、極限承載能力、應力一應變關(guān)系、彎矩一曲率關(guān)系、徐變特性、疲勞性能以及抗震性能等方面不斷探索木結(jié)構(gòu)的加固方法，并得到了大量的研究成果，但是仍然有不足之處需要完善。綜上所述，本文以木結(jié)構(gòu)的柱為對象，闡述主要的加固技術(shù)，并分析加固技術(shù)的適宜性，從而對加固技術(shù)進行完善改進，以期更好地對古建筑進行修復保護。因此對既有的木結(jié)構(gòu)古建筑加固，合理選擇可靠高效的加固方法對保護古建筑具有重要的現(xiàn)實意義。
1不同加固材料的加固技術(shù)
古建筑木結(jié)構(gòu)的柱的殘損會導致承載能力與穩(wěn)定性有所降低，甚至發(fā)生倒塌，因此對木柱進行修復加固是保護古建筑的主要手段，隨著技術(shù)的發(fā)展，鋼構(gòu)件、復合纖維增強材料逐漸運用到木結(jié)構(gòu)的加固工作中，我國研究人員運用不同的加固材料對木柱進行了大量的加固試驗，取得了大量的試驗數(shù)據(jù)，為古建筑的保護工作提供了依據(jù)。
1.1FRP加固木結(jié)構(gòu)柱
FRP材料有比強度高、比模量大、可設計性強、耐久性能好等優(yōu)點,越來越廣泛地被運用到木結(jié)構(gòu)柱的加固中來。近年來，我國研究人員進行了大量的FRP材料加固木柱的試驗，取得了重大的研究成果。大多針對FRP加固的木柱進行軸壓試驗來研究，邵勁松等人分別對15根環(huán)向、橫向FRP加固的木柱用液壓試驗機采用分級加載和連續(xù)加載相結(jié)合的方式進行了軸心抗壓試驗，討論了試件受載后的工作機理和破壞模式，分析了FRP的層數(shù)和類型對其承載力和峰值應變的影響，得出了無論是環(huán)向、橫向FRP加固木柱都可以有效約束木纖維的彎曲變形，從而提高了抗壓承載力，改善了木柱的延性【2-3】。朱艷梅、王清遠、董江峰、何東通過對14根短圓木柱試件進行試驗，研究了CFRP、BFRP、AFRP分別在全包、半包、間隔包裹的加固方式下，加固層數(shù)對木柱性能的影響，表明通過FRP加固木柱可以改善其受力性能，承載力、剛度和延性有所提高【4】。周乾、閆維明、慕晨曦、楊慧對6個CFRP包鑲加固的木柱柱根模型進行了靜力加載試驗，獲得了木柱加固前后的軸壓受力性能等數(shù)據(jù)，分析了包鑲層數(shù)對加固效果的影響，得出在包鑲加固層數(shù)為3時，加固效果最顯著，但加固后的木柱承載力略低于完好木柱【5】。周乾、楊娜、閆維明制作了6根1:2的試驗模型，對其中5根采用CFRP墩接加固柱根，進行了豎向軸壓靜力加載試驗，通過試驗結(jié)果討論了加固柱的軸壓受力機理，顯示了CFRP材料具有較好的加固效果【6】。何黎陽、劉清等人用15根BFRP布加固的圓柱進行了軸壓試驗，研究了粘貼層數(shù)和粘貼方式對加固效果的影響，還與形同試驗條件下的方柱進行對比分析，得出加固后的圓柱的承載力有所提高，且具有一定延性，加固效果顯著并優(yōu)于方柱加固【7】。霍瑞麗，劉偉慶等對圓形截面短柱采用8字型和縱橫交叉兩種纏繞方法粘貼CFRP布進行補強加固，進行了軸壓試驗，得出通過CFRP布加固約束可以提高結(jié)構(gòu)的延性，且縱橫交叉型纏繞方法能大幅度提高構(gòu)件的極限承載力，還能在軸向應變增加有限的情況下有效地約束橫向變形【8】。由此可見，新型加固材料的運用可以提供給我們更多形式的選擇，我國研究學者對不同F(xiàn)RP加固方式的木結(jié)構(gòu)柱進行了軸壓試驗，具體分析了加固木柱的力學性能，得出加固木柱的極限承載能力都有所提高，且具有較好的延性，顯示出FRP加固木柱可以起到一定的加固效果。
1.2復合加固木結(jié)構(gòu)柱
鋼材、附加木構(gòu)件、和FRP被廣泛運用到木結(jié)構(gòu)的加固中來，以往的試驗大都研究一種加固材料對構(gòu)件的加固，有研究學者將加固材料混合使用對古建筑木結(jié)構(gòu)進行復合加固，通過試驗得出兩種材料和木材可以協(xié)同工作，取得了重要的成果，因此復合加固有望成為新的加固思路。阿斯哈、周長東、楊禮贛創(chuàng)新性地采用內(nèi)嵌鋼筋外包CFRP布進行復合加固，并制作了42根復合加固木柱進行軸心受壓試驗，結(jié)果表明通過復合加固木柱，構(gòu)件的受壓承載力能夠提高且可以改善木柱的延性，試驗結(jié)果表明木材與CFRP布和鋼筋三者能夠協(xié)調(diào)變形、共同工作，驗證了復合加固方式的可靠性；還將試驗結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果進行對比，得到了復合加固木柱軸心受壓峰值應力和峰值應變的計算公式【9】。韓笑東、趙越等人對7根以內(nèi)嵌鋼筋外包碳纖維布復合加固的方形木柱進行加固試驗，考慮嵌筋數(shù)量和受壓偏心距兩種因素對偏心荷載下的受壓承載力以及結(jié)構(gòu)延性的影響，發(fā)現(xiàn)加固后的木柱主要在纖維布之間的間隔段發(fā)生破壞，且隨在一定范圍內(nèi)著偏心距的增大，木柱的承載力顯著下降,但延性系數(shù)變化不大【10】。楊勇、陳展、王香云、薛建陽提出了采用預應力鋼帶加固既有裂損木柱的技術(shù)，并制作了6個加固木柱進行軸心受壓試驗，通過對各試件的破壞形態(tài)、承載能力、剛度和延性等數(shù)據(jù)研究鋼帶間距和層數(shù)對試件受力性能的影響，表明通過預應力鋼帶加固木柱可以有效提高木柱的承載力；同時也可以反映出，預應力鋼帶和木材可以協(xié)同工作。上述研究將FRP材料和鋼材二者共同使用，通過試驗證明了這種加固方式確實可以提高構(gòu)件的抗壓承載力，并增加了結(jié)構(gòu)的延性，復合加固的技術(shù)為古建筑木結(jié)構(gòu)的修復與保護工作提供了新思路。
2影響加固效果的因素
在對加固木柱進行軸壓試驗時需要綜合考慮影響因素，設計試驗方案，以下分析了在試驗中對加固效果產(chǎn)生影響的一些因素，以便在進行試驗時可以減小誤差，得到準確可靠的數(shù)據(jù)進行分析，為古建筑加固保護工作提供數(shù)據(jù)。木柱在整體結(jié)構(gòu)中主要是軸心受壓或偏心受壓的構(gòu)件，二者在發(fā)生力學破壞時的力學狀態(tài)不同，因此在試驗之初一定要明確具體工況，確定試驗條件。在使用FRP進行加固時應確定變量，因為木柱在發(fā)生軸壓破壞時，加固效果受纏繞方式、加固位置、加固量的影響較大，由上述試驗結(jié)果我們可以看出：在其他條件變不變，唯一變量條件下，全包的加固效果優(yōu)于半包方式，半包方式優(yōu)于間隔包裹方式；在柱頂與柱腳的位置容易發(fā)生木纖維的錯動，造成破壞，因此需要進行加密加固補強；在一定范圍內(nèi)，隨著加固量的增加，加固效果越加顯著。其次試件的制作也會對加固效果產(chǎn)生影響，在進行加固施工時，F(xiàn)RP材料和木材之間主要通過粘接劑進行連接，粘接劑是否合理使用并正常工作將直接關(guān)乎加固材料是否起到約束作用，對試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，因此施工技術(shù)也是重要的影響因素。柱子的形狀也會對加固效果產(chǎn)生影響，我國古建筑木結(jié)構(gòu)中的柱子主要是圓形和矩形截面，F(xiàn)RP材料加固圓形截面的柱子時，約束效應延曲面柱呈均勻分布；而FRP材料在加固矩形截面柱時，由于角部效應的存在，約束效應呈不均勻分布。但是無論是圓形截面還是矩形截面的木柱，當縱向應力達到木柱的三向受壓應力強度時，加固木柱達到極限承載力發(fā)生破壞。
3結(jié)論
古建筑的加固要求修復后盡量不能破壞原有建筑的原貌，且經(jīng)過加固后必須符合現(xiàn)行規(guī)范，不可造成二次破壞，這就要求我們根據(jù)現(xiàn)存木結(jié)構(gòu)的殘損狀況選擇適宜的加固技術(shù)。近幾年的研究發(fā)現(xiàn)通過傳統(tǒng)的鋼件或附加木構(gòu)件加固可以起到一定效果，纖維增強復合材料開始廣泛運用到木結(jié)構(gòu)加固中來，對于加固柱構(gòu)件的加固效果，主要考慮了抗壓承載力、延性，并分析了影響加固的因素；對于將柱子具體的殘損狀況進行定性定量分類，從而研究加固效果的試驗相對較少。目前的研究大多討論了單一加固材料的應用，但是為了更好地保護古建筑，將多種加固材料組合使用的復合加固形式研究較少，首要考慮的就是各加固材料能否協(xié)調(diào)變形共同工作，此外還應在相應的工程情況下定量分析何種加固方式才能起到最佳加固效果，因此對于此類加固方式的研究有待發(fā)展。
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作者：侯玉嶺 趙慶雙 單位：聊城大學建筑工程學院