引言

　　古建筑作为我国民族历史文化的重要组成部分,它的形成和发展从不同侧面反映了我国各个历史时期的政治、经济、艺术以及科学文化状况,这其中,木结构古建筑作为中国古代建筑的主流,被广泛应用在宫殿、庙宇、居民、楼阁等建筑中,是历史发展的见证和民族文化兴衰潮汐之映射,是不可再生的珍贵的文化资源和历史文化遗产.但是对于现存的古建筑木结构来说,千百年的历史传承中受到了自然力和人为的不断破坏,再加上多年来对其保护不够重视、年久失修,使得现存古建筑木结构绝大多数处于不同程度的残损状态,对其修缮加固已迫在眉睫[1].然而,科学合理地对现存古建筑木结构进行地震破坏分析是抗震加固的前提和保障.因此,四川雅安 7. 0 级地震后,笔者根据现场的震害调查,并结合古建筑木结构的构造特点,归纳总结了我国古建筑木结构的主要地震破坏形态,针对出现的不同破坏情况,提出了相应的抗震加固方法,为古建筑木结构的修缮加固研究提供依据.

　　本文主要按照古建筑木结构由下到上的次序对地震作用下木结构的破坏情况及破坏原因进行分析.

　　1 地基基础的破坏

　　不论是古建筑还是现代建筑,地基基础是建筑物极为重要的一部分,它是保证上部建筑结构不发生倾斜和沉降的关键因素,地基基础的质量好坏直接影响着结构的牢固性和寿命长短.对于古建筑木结构来说,地基基础主要由地基、基础和台基三个部分,地震作用下,地基基础发生破坏的形式及原因主要有以下几方面:

　　有些古建筑的选址选在软弱土、液化土、附近地下有空穴或局部塌陷等不利地段,这样在地震作用下容易引起地基基础的不均匀沉降、倾斜、甚至台基出现裂缝等; 还有一些古建筑建在容易发生山体滑坡、崩塌、地陷、地裂、洪水冲刷、泥石流等危险地段,一旦发生,将产生毁灭性的灾害( 如图 1 所示) ; 同时,当古建筑建立在突出的山嘴、高耸孤立的山尖等,发生地震时,由于地震的顶端放大作用而使得震害更加严重[2]( 如图 2所示) .

　　在地震作用下,由于地面的剧烈振动会导致剪切受力明显[3],台基砖砌体灰缝逐渐开裂并出现滑坡( 图3 所示) ,且柱础石在强烈地震作用下有可能发生较大的水平移位导致上部结构失稳,或者由于柱础石与上部结构的接触面仅限于柱脚截面大小,庞大的竖向荷载以及竖向地震作用的影响使得柱础石发生应力集中现象,柱础石破碎而导致上部柱架失稳.同时,长年累月的风吹雨打以及战争的破坏,使得台基砖砌体发生酥碱( 如图 4 所示) ,砌块材料本身发生破裂,地震作用下,台基基础很易发生变形; 另外,地下水位上升或地面由于排水不良或长期的积水,以及在现存古建筑木结构周围人为大量的取土,或在古建筑周围开展其它方面的施工( 如西安钟楼地铁施工的影响) ,都会不同程度的降低地基的承压强度,地震作用下容易引起地基基础发生沉陷性下沉.

　　2 上部木结构的破坏分析

　　2. 1 构件的破坏

　　构件在地震作用下发生破坏的形式和原因主要有以下几个方面:作为木结构古建筑的主要材料,木材不同于砌体、钢材、混凝土等材料,是一种非均质的、正交各向异性的天然高分子有机材料,其力学性质与其它建筑材料有着明显的差异[4].木材由于受光照、风干、雨雪、空气温度和湿度的变化等周围环境的影响而随时间的推移容易发生老化、开裂( 如图 5 所示) ,成年累月的受荷状态使其发生蠕变,各种真菌等微生物的分解作用导致木材腐朽( 如图 6 所示) 以及虫蛀( 如图 7 所示) 导致木材有效截面削弱等,这些因素使得木材的物理性能发生不可逆的衰退和劣化,从而降低了构件甚至整体结构的力学强度和安全可靠性,减少了其剩余安全使用年限.另外,木材自身的木节、斜纹、涡纹、扭纹等疵病对构件的残损也有着加速作用.

　　对于额枋,由于两端的普拍枋压缩变形较大,使得昂与额枋的间隔减小,而跨中的补间铺作使得其间隔不能减小,只有额枋发生弯曲变形才能使得变形协调.而古建筑木结构各开间尺寸不等,但檩条及额枋的截面尺寸基本相同,因此,大开间( 当心间) 的檩条和额枋更容易发生弯曲变形( 如图 8 所示) .

　　对于包在墙内的柱子,由于通风不良,容易潮湿导致腐朽,柱根更为明显,"山蒸云,柱础湿"[5]就是说柱根处容易潮湿导致腐朽( 如图 9 所示) .

　　在竖向,枓栱铺作层与普拍枋是以横纹受压传力,由于木材横纹抗压性能较差,且受构造尺寸的限制,栌斗底面与普拍枋接触承压面的面积很小,屋顶过大的竖向荷载超过了木材的横纹承载力,使得木纤维在横向发生切断、弯折、纤维分离、截面横向扩张、端头纤维撕裂等残损现象[6],造成普拍枋的受压变形( 如图 10 所示) .

　　对于枓栱,地震作用下,由于昂的歪闪或柱子的下沉容易使枓栱因受力不均而导致枓与栱之间的连接松动、歪闪或开裂( 如图 11 所示) ,结构整体性能降低.

　　2. 2 节点的破坏

　　古建筑木结构梁柱节点多采用直榫和燕尾榫两种连接方式,施工设计时为了方便安装,一般将卯口的尺寸设计略微大于榫头的尺寸,榫与卯之间留有一定的缝隙,这样在强地震作用下,榫头反复的拔出、挤压使得卯口逐渐变宽,节点松动,复杂的受力状态使得节点处发生榫头剪断( 如图 12 所示) 或拔榫( 如图 13 所示)的现象,同时,榫头由于年久收缩变形及腐朽,节点松动,节点的破坏会导致建筑物出现较大的变形甚至发生整体性倒塌.另外,当额枋发生竖向挠曲时,梁柱节点腋下的雀替容易发生弯曲破坏.

　　2. 3 整体稳定性破坏

　　由于地基基础的不均匀沉降( 如图 14 所示) 、柱根的超限滑移( 如图 15 所示) 以及竖向荷载作用下各部位压缩变形的不均匀性,地震作用下使得柱架由于整体倾斜( 如图 16 所示) 和梁架歪闪( 如图 17 所示) 导致结构重心发生偏移和错位,降低了结构的承载力和整体稳定性,水平地震作用下容易发生整体性倒塌.

　　2. 4 围护结构

　　木结构古建筑的围护墙体一般较厚,采用碎石土,结构性能较差,与柱架在结构上并无拉结措施,因此,当地基基础发生不均匀沉降、地震时柱架的晃动以及弯曲变形会引起墙体的开裂( 如图 18 所示) ,严重时甚至倒塌( 如图 19 所示) ; 对于部分柱架的柱根腐朽下沉,使得柱架的梁枕直接压在砖墙上,墙体由于应力集中被压酥出现大裂缝[7],同时,由于墙体和柱架的抗侧移刚度相差较大,水平地震作用下,柱架与墙体的运动不协调导致墙体损坏或倒塌,特别是沿纵向,柱架的位移比墙体大得多,易导致山墙倒塌[7].

　　对于屋面围护结构,由于年久失修,屋面杂草丛生、漏雨积水,再加上瓦面的破坏,使得屋顶出现一定程度的渗漏现象,并加剧了木构件的腐朽; 在地震作用下,由于"大屋顶"的刚度和质量非常大,造成屋面分配的地震作用较大,使得地震时屋顶琉璃瓦下滑( 如图 20 所示) ,瓦件开裂、松动或被震落,屋顶装饰震碎( 如图 21 所示) .

　　3 古建筑木结构抗震加固研究

　　由于木材资源的缺乏以及我国保护文物的政策性要求,不可能大面积的采用替换新材的方法来修缮和改造破坏的木结构古建筑.因此,科学合理的修缮加固成为今后古建筑木结构迫在眉睫的问题.针对以上对木结构古建筑的破坏形式及破坏原因的分析,根据古建筑木结构的构造特点并结合古建筑木结构修缮加固的保护原则,系统归纳总结了适宜于木结构古建筑加固补强技术的加固修缮方法.

　　3. 1 地基基础的加固

　　加固地基基础就是为了防止由于地基基础的破坏而导致上部结构的破坏,使地基基础经加固之后尽量恢复其原来的平整状态,并保证具有足够的承压能力,以延长现存古建筑的使用寿命,这是保护现存木结构古建筑的重要措施之一.

　　( 1) 对于建在山顶或者山下的古建筑,可以采用石砌护坡或挡土墙的方法来修缮加固,这样可以稳定处于山顶的古建筑周围的地基,避免处于山脚下古建筑因滑坡等引起的建筑物破坏; 当附近地下有空穴或局部塌陷时,可以采用土方开挖碎石回填或灌浆的补救方法.

　　( 2) 相对来说,修建合理的排水设施是一种间接的加固古建筑地基基础的方法.在古建筑周围使用明水沟排水方法,一方面能够防止大量的潴水渗透到基础下面,避免在古建筑周围形成潦水,防止地基基础变形的进一步扩大,另一方面,明水沟的使用便于检修,一旦发生堵塞,能够很快解决.

　　( 3) 对于台基砌体的修缮加固,对严重酥碱、风化严重、有裂缝的砌块和条石拆下,在新旧砖层间加铺钢筋网,并用钢筋勾拉结,缝隙进行灌浆加固,随砌随灌,加强新旧砌体的整体性能.对于础石移位或破碎的加固,可以在础石周围可加砌纵横向龙骨撑墙,防止础石移位,采用整体顶升更换础石的方法.

　　( 4) 对于因周围施工导致地基承载力下降或不足的古建筑地基基础可以采用打桩( 木桩或者混凝土桩)加固的方法挤紧地基土,提高地基的承载能力,从而防止基础的不均匀沉降.

　　3. 2 上部结构的加固

　　( 1) 木材的预防性加固

　　对于遭受真菌以及虫害的木材,可以采用化学药剂的处理方法来增强木材的稳定性和抗虫害能力; 对于木材的腐朽,应涂防朽剂增强抗腐朽能力,并保证通风干燥.

　　( 2) 构件的加固

　　对于构件的裂缝,不管裂缝的大小,首要的是要清除缝中的积存物,当裂缝宽度很大( 大于 30 mm) 影响结构受力性能时时,应对开裂构件采用 FRP 纤维布或铁箍箍进行加固,以恢复或提高构件的自身刚度和强度.当结构构件的破坏程度非常严重时,构件不足以提供结构所需要的承载力,可用新制作的构件替换原件,但应采取一定的措施( 如施加预应力等) 以保证新旧木材的变形协调.

　　对于构件的腐朽,当只有表层木材腐朽,而内部材料完好时且尚能满足承载能力的需求时,将腐朽部分剔除干净,并经表面清净和防腐处理后,依原样和原尺寸采用干燥木材和耐水性胶粘剂修补整齐; 当木材腐朽严重时,尤其是柱根部分木材的腐朽对结构性能影响较大,一般采用墩接加固法( 如图 22 所示) 将新旧材料粘结到一块,并采用铁箍或 FRP 纤维布对墩接处加箍处理,加强新旧材料的协同工作性能.

　　对于额枋的弯曲变形,主要有三种加固方式.当变形不大时,可以在额枋的受拉区采用粘贴 FRP 纤维布,使之与额枋共同受荷,充分发挥纤维材料抗拉性能好的优点; 当额枋的下垂挠度较大,超过允许挠度时,可以采用支顶加固法来改善额枋的内力分布情况,提高抗弯承载力; 当额枋的挠度过大导致断裂或者不足以承担上部荷载时,为了不改变结构的受力性能以及施工方便,可以不拆除原构件的前提下在原有额枋的下部采用工字钢梁加固.对于额枋支座两端的裂缝,可以通过纤维布环箍受剪区或采用钢雀替加大支座支承面积来提高额枋的抗剪承载力.

　　对于枓栱,由于结构比较复杂,所以针对不同的破坏情况采用不同的修补方法.当枓、栱或昂发生劈裂且能对齐的,可采用粘结剂粘牢后继续使用,断裂不能对齐或腐朽不能继续使用的应更换,压扁的枓可以采用硬木薄板补齐.

　　( 3) 节点的加固

　　对于榫卯节点的加固,主要有以下几种方法:将节点区域的外表面用丙酮清洗干净,然后用 FRP纤维布( 如图 23 所示) 沿梁的纵向包住节点区域,并在梁端加一到两道环形纤维布箍住,防止纤维布与木材界面发生开裂,用耐水性粘结剂将纤维布与木材粘牢; 当榫头由于腐朽发生破坏时,应将腐朽部分凿掉,然后将新木块嵌入卯口,并用粘结剂粘牢; 还可以用扒钉直接固定、扁钢外包并用螺栓固定( 如图 24 所示) 或角钢对节点进行附加支撑,为了避免对截面的破坏,文献[8]采用新型的加固装置( 如图 25 所示) 对中间跨榫卯节点进行加固.

　　( 4) 围护结构的加固

　　对于木结构古建筑围护墙体,能不拆除应尽量不拆除,为了保存其原貌,只需要将酥碱严重的墙体拆除补砌.可采用压力灌浆或喷浆的加固方法来提高墙体的强度.为降低地震作用的破坏,应减轻墙体的自重,用砖墙或轻质高强的新型木墙代替土坯墙,使用钢筋或铅丝将墙体与柱架拉结,使两者能较好的协同工作,增强结构的整体稳定性.

　　对于风化严重的琉璃瓦应重新更换,松动的瓦件,可增加瓦面上纵向的瓦钉,或采用灰浆并放少量的粘结剂将瓦件重新固定,及时对屋顶的杂草进行清除,对漏水部位采用青灰背进行维修.

　　( 5) 整体结构加固

　　当柱架倾斜、发生扭转或者拔榫比较严重时,采用加固构件已不能满足结构的承载力需求,在不拆落木构架的情况下,可采用打牮拨正法,对个别残损严重的构件进行更换或者其它修补加固措施[9].对残损严重且需要全部或局部拆除的古建筑,应采用落架大修对每个残损构件逐个修整,更换严重残损的构件,再重新安装,并进行加固.

　　对于础石移位的情况,可以将础石周围采用石砌块、混凝土固住或柱基之间可加砌纵横向龙骨撑墙,防止由于础石的移位造成结构丧失稳定性.

　　4 结语

　　本文主要通过对现存古建筑木结构的震后现状调查,系统归纳总结了现存古建筑木结构的主要震害破坏形态,并提出了相应的加固方法,为古建筑木结构的修缮加固研究提供参考依据.

　　参考文献

　　[1] 薛建阳,张风亮,赵鸿铁,等. 碳纤维布加固古建筑木结构模型振动台试验研究[J]. 土木工程学报,2012,45( 11) : 95 -104.Xue Jianyang,Zhang Fengliang,Zhao Hongtie,et al. Shaking table test of ancient timber structure strengthened with CFRP[J]. China Civil Engi-neering Journal,2012,45( 11) : 95 - 104. ( in Chinese)

　　[2] 谢启芳,薛建阳,赵鸿铁. 汶川地震中古建筑的震害调查与启示[J]. 建筑结构学报,2010,31( S2) : 18 -23.Xie Qifang,Xue Jianyang,Zhao Hongtie. Seismic damage investigation and analysis of ancient buildings in Wenchuan earthquake[J]. Journal ofBuilding Structures,2010,31( S2) : 18 - 23. ( in Chinese)

　　[3] 余志祥,赵世春,潘毅,等. 青城山上清宫门楼古建筑震害机理分析与研究[J]. 四川大学学报( 工程科学版) ,2010,45( 5) : 292 -296.YU Zhixiang,ZHAO Shichun,PAN Yi,et al. Seismic Analysis and Research of Gate Tower of Shangqing Temple on Qingcheng Mountain[J].Journal of Sichuan university( Engineering Science Edition) ,2010,45( 5) : 292 - 296. ( in Chinese)

　　[4] 林森,杨恩伟,曲燕广. 浅谈古建筑木结构材性研究[J]. 科技风,2011,24( 5) : 138 -139.

　　[5] 赵怡元. 古建筑基础的加固[J]. 文博,1985,( 3) : 76 -80.

　　[6] 李铁英,秦慧敏. 应县木塔现状结构残损分析及修缮探讨[J]. 工程力学,2005,22( S1) : 199 -212.LI Tie - ying,QIN Hui - min. Structure analysis and repair of Ying - Xian wooden tower[J]. Engineering Mechanics,2005,22( S1) : 199 - 212.( in Chinese)

　　[7] 张承佑. 古建筑震害及一般补强加固措施[J]. 工程抗震与加固改造,1981,3( 4) : 1 -9.

　　[8] 周乾,闫维明,李振宝,等. 用于古建筑木结构中间跨榫卯节点的加固装置: 中国,200920108277. 0[P]. 2010 -04 -21.Zhou Qian,Yan Weiwen,Li Zhenbao,et al. A strengthening installation for enon - mortise joint of middle span of ancient wooden building: China,200920108277. 0[P]. 2010 - 04 - 21. ( in Chinese)

　　[9] 古建筑木结构维护与加固技术规范[S]. 北京: 中国建筑工业出版社,1992. Technical code for maintenance and strengthening of ancient tim-ber buildings[S]. Beijing: China Architecture and Building Press,1992. ( in Chinese)

【文章来源：金英文案】

版权所有：金英文案为您提供专业的论文代写、论文发表服务，秉承信誉至上、用户为首的服务理念，服务好每一位客户
本站部分论文收集于网络，如有不慎侵犯您的权益，请您及时致电或写信告知，我们将第一时间处理，邮箱：service@kingying.net