古建筑木结构木柱加固技术研究

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摘要：在古建筑木结构的残损问题日趋严重的背景下，合理对其进行加固处理并选择适宜的加固技术显得尤为重要。其中木柱作为主要的承担轴向压力构件，它的承载能力以及稳定性对整体结构的安全性能影响最大。本文总结了我国主要的木柱加固技术，包括不同加固材料的应用、不同加固情况对加固效果的影响，并从加固目的方面客观分析了各加固技术的优缺点，提出今后在加固木结构建筑方面的建议。可为研究古建筑木结构木柱的适宜性加固技术的人员提供参考，从而更好的进行古建筑修缮保护工作。

关键词：木结构；木柱；轴向压力；加固材料

前言

现存的古建筑木结构大多经历了数百年的历史，是我国宝贵的遗产，正是由于历史悠久，古建筑出现了不同程度的残损。木柱是主要承担结构竖向荷载的构件，但是柱身出现不同程度的糟朽、开裂，减小了柱子的有效截面，降低了承载能力，极易出现柱子折断或歪闪的现象，甚至出现局部失稳的情况，对古建筑造成不可逆转的损失，因此选用适宜性的加固技术对古建筑进行修缮保护工作有重大意义。针对不同的残损情况，木柱传统的加固方法主要是采用铁钉、螺栓、铁箍、钢筋、附加梁板、附加断面进行加固【1】，近几年由于科技发展纤维增强复合材料被应用到木结构加固中来，但是无论何种加固方法都应尽可能地保留建筑物的原貌，做到“修旧如旧”。我国的研究学者进行了大量的加固试验，从加固柱的抗弯、抗剪性能、极限承载能力、应力一应变关系、弯矩一曲率关系、徐变特性、疲劳性能以及抗震性能等方面不断探索木结构的加固方法，并得到了大量的研究成果，但是仍然有不足之处需要完善。综上所述，本文以木结构的柱为对象，阐述主要的加固技术，并分析加固技术的适宜性，从而对加固技术进行完善改进，以期更好地对古建筑进行修复保护。因此对既有的木结构古建筑加固，合理选择可靠高效的加固方法对保护古建筑具有重要的现实意义。

1不同加固材料的加固技术

古建筑木结构的柱的残损会导致承载能力与稳定性有所降低，甚至发生倒塌，因此对木柱进行修复加固是保护古建筑的主要手段，随着技术的发展，钢构件、复合纤维增强材料逐渐运用到木结构的加固工作中，我国研究人员运用不同的加固材料对木柱进行了大量的加固试验，取得了大量的试验数据，为古建筑的保护工作提供了依据。

1.1FRP加固木结构柱

FRP材料有比强度高、比模量大、可设计性强、耐久性能好等优点,越来越广泛地被运用到木结构柱的加固中来。近年来，我国研究人员进行了大量的FRP材料加固木柱的试验，取得了重大的研究成果。大多针对FRP加固的木柱进行轴压试验来研究，邵劲松等人分别对15根环向、横向FRP加固的木柱用液压试验机采用分级加载和连续加载相结合的方式进行了轴心抗压试验，讨论了试件受载后的工作机理和破坏模式，分析了FRP的层数和类型对其承载力和峰值应变的影响，得出了无论是环向、横向FRP加固木柱都可以有效约束木纤维的弯曲变形，从而提高了抗压承载力，改善了木柱的延性【2-3】。朱艳梅、王清远、董江峰、何东通过对14根短圆木柱试件进行试验，研究了CFRP、BFRP、AFRP分别在全包、半包、间隔包裹的加固方式下，加固层数对木柱性能的影响，表明通过FRP加固木柱可以改善其受力性能，承载力、刚度和延性有所提高【4】。周乾、闫维明、慕晨曦、杨慧对6个CFRP包镶加固的木柱柱根模型进行了静力加载试验，获得了木柱加固前后的轴压受力性能等数据，分析了包镶层数对加固效果的影响，得出在包镶加固层数为3时，加固效果最显著，但加固后的木柱承载力略低于完好木柱【5】。周乾、杨娜、闫维明制作了6根1:2的试验模型，对其中5根采用CFRP墩接加固柱根，进行了竖向轴压静力加载试验，通过试验结果讨论了加固柱的轴压受力机理，显示了CFRP材料具有较好的加固效果【6】。何黎阳、刘清等人用15根BFRP布加固的圆柱进行了轴压试验，研究了粘贴层数和粘贴方式对加固效果的影响，还与形同试验条件下的方柱进行对比分析，得出加固后的圆柱的承载力有所提高，且具有一定延性，加固效果显著并优于方柱加固【7】。霍瑞丽，刘伟庆等对圆形截面短柱采用8字型和纵横交叉两种缠绕方法粘贴CFRP布进行补强加固，进行了轴压试验，得出通过CFRP布加固约束可以提高结构的延性，且纵横交叉型缠绕方法能大幅度提高构件的极限承载力，还能在轴向应变增加有限的情况下有效地约束横向变形【8】。由此可见，新型加固材料的运用可以提供给我们更多形式的选择，我国研究学者对不同FRP加固方式的木结构柱进行了轴压试验，具体分析了加固木柱的力学性能，得出加固木柱的极限承载能力都有所提高，且具有较好的延性，显示出FRP加固木柱可以起到一定的加固效果。

1.2复合加固木结构柱

钢材、附加木构件、和FRP被广泛运用到木结构的加固中来，以往的试验大都研究一种加固材料对构件的加固，有研究学者将加固材料混合使用对古建筑木结构进行复合加固，通过试验得出两种材料和木材可以协同工作，取得了重要的成果，因此复合加固有望成为新的加固思路。阿斯哈、周长东、杨礼赣创新性地采用内嵌钢筋外包CFRP布进行复合加固，并制作了42根复合加固木柱进行轴心受压试验，结果表明通过复合加固木柱，构件的受压承载力能够提高且可以改善木柱的延性，试验结果表明木材与CFRP布和钢筋三者能够协调变形、共同工作，验证了复合加固方式的可靠性；还将试验结果与数值模拟的结果进行对比，得到了复合加固木柱轴心受压峰值应力和峰值应变的计算公式【9】。韩笑东、赵越等人对7根以内嵌钢筋外包碳纤维布复合加固的方形木柱进行加固试验，考虑嵌筋数量和受压偏心距两种因素对偏心荷载下的受压承载力以及结构延性的影响，发现加固后的木柱主要在纤维布之间的间隔段发生破坏，且随在一定范围内着偏心距的增大，木柱的承载力显著下降,但延性系数变化不大【10】。杨勇、陈展、王香云、薛建阳提出了采用预应力钢带加固既有裂损木柱的技术，并制作了6个加固木柱进行轴心受压试验，通过对各试件的破坏形态、承载能力、刚度和延性等数据研究钢带间距和层数对试件受力性能的影响，表明通过预应力钢带加固木柱可以有效提高木柱的承载力；同时也可以反映出，预应力钢带和木材可以协同工作。上述研究将FRP材料和钢材二者共同使用，通过试验证明了这种加固方式确实可以提高构件的抗压承载力，并增加了结构的延性，复合加固的技术为古建筑木结构的修复与保护工作提供了新思路。

2影响加固效果的因素

在对加固木柱进行轴压试验时需要综合考虑影响因素，设计试验方案，以下分析了在试验中对加固效果产生影响的一些因素，以便在进行试验时可以减小误差，得到准确可靠的数据进行分析，为古建筑加固保护工作提供数据。木柱在整体结构中主要是轴心受压或偏心受压的构件，二者在发生力学破坏时的力学状态不同，因此在试验之初一定要明确具体工况，确定试验条件。在使用FRP进行加固时应确定变量，因为木柱在发生轴压破坏时，加固效果受缠绕方式、加固位置、加固量的影响较大，由上述试验结果我们可以看出：在其他条件变不变，唯一变量条件下，全包的加固效果优于半包方式，半包方式优于间隔包裹方式；在柱顶与柱脚的位置容易发生木纤维的错动，造成破坏，因此需要进行加密加固补强；在一定范围内，随着加固量的增加，加固效果越加显著。其次试件的制作也会对加固效果产生影响，在进行加固施工时，FRP材料和木材之间主要通过粘接剂进行连接，粘接剂是否合理使用并正常工作将直接关乎加固材料是否起到约束作用，对试验数据产生影响，因此施工技术也是重要的影响因素。柱子的形状也会对加固效果产生影响，我国古建筑木结构中的柱子主要是圆形和矩形截面，FRP材料加固圆形截面的柱子时，约束效应延曲面柱呈均匀分布；而FRP材料在加固矩形截面柱时，由于角部效应的存在，约束效应呈不均匀分布。但是无论是圆形截面还是矩形截面的木柱，当纵向应力达到木柱的三向受压应力强度时，加固木柱达到极限承载力发生破坏。

3结论

古建筑的加固要求修复后尽量不能破坏原有建筑的原貌，且经过加固后必须符合现行规范，不可造成二次破坏，这就要求我们根据现存木结构的残损状况选择适宜的加固技术。近几年的研究发现通过传统的钢件或附加木构件加固可以起到一定效果，纤维增强复合材料开始广泛运用到木结构加固中来，对于加固柱构件的加固效果，主要考虑了抗压承载力、延性，并分析了影响加固的因素；对于将柱子具体的残损状况进行定性定量分类，从而研究加固效果的试验相对较少。目前的研究大多讨论了单一加固材料的应用，但是为了更好地保护古建筑，将多种加固材料组合使用的复合加固形式研究较少，首要考虑的就是各加固材料能否协调变形共同工作，此外还应在相应的工程情况下定量分析何种加固方式才能起到最佳加固效果，因此对于此类加固方式的研究有待发展。

参考文献

[1]淳庆,张洋,潘建伍.内嵌碳纤维板加固圆木柱轴心抗压性能试验研究[J].工业建筑,2013,43(07):91-95.

[2]邵劲松,刘伟庆,王国民,蒋桐.FRP环向加固木柱轴心受压性能试验研究[J].玻璃钢/复合材料,2012(02):52-55.

[3]邵劲松,薛伟辰,刘伟庆,蒋建强,蒋桐.FRP横向加固木柱轴心受压性能计算[J].土木工程学报,2012,45(08):48-54.

[4]朱艳梅,王清远,董江峰,何东.FRP加固圆木柱轴压性能的试验研究[J].四川大学学报(工程科学版),2012,44(S2):52-56.

[5]周乾,闫维明,慕晨曦,杨慧.CFRP布包镶加固底部糟朽木柱轴压试验[J].湖南大学学报(自然科学版),2016,43(03):120-126.

[6]周乾,杨娜,闫维明.CFRP布墩接加固木柱轴压试验研究[J].建筑结构学报,2016,37(S1):314-320.

[7]何黎阳,刘清,韩风霞,韩霞,徐鹏.玄武岩纤维增强复合材料加固新疆杨圆柱的力学性能试验研究[J].工业建筑,2018,48(12):187-191+186.

[8]霍瑞丽,刘伟庆,童忆南,方海,方园.碳纤维增强复合材料约束短木柱轴压性能[J].材料科学与工程学报,2019,37(04):536-540.

[9]阿斯哈,周长东,杨礼赣.复合加固圆形短木柱轴心受压应力-应变关系[J].工程力学,2021,38(02):168-178.

[10]韩笑东,赵越,杨燕泽,阿斯哈,周长东.复合加固方形木柱偏心受压性能试验[J].哈尔滨工业大学学报,2021,53(04):195-200.

作者：侯玉岭 赵庆双 单位：聊城大学建筑工程学院