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木结构古民居加固分析

作者: 更新时间:2021/1/17 19:38:19

古民居是两层的木结构,已有100多年的历史。由于自然环境的长期侵蚀和缺乏维护,古民居出现了腐烂、虫蛀、开裂等病害。由于榫卯连接松动,部分木框架已经倾斜,严重影响了建筑的正常使用,存在很大的安全隐患。鉴于江南木结构古民居独特的建筑风格,有关部门决定对古民居进行修复加固,将其作为古建筑景点进行保护。研究表明,用CFRP钢板加固的木构件能够提供良好的约束性能,起到类似钢箍的作用,能够显著提高受压构件的承载力。本文结合工程实例,探索和应用了CFRP包裹、传统木结构加固的古建筑木结构加固技术。


一.病害状况

为了充分了解古建筑木结构住宅的结构特点和病害,在制定加固方案前,对该建筑进行了详细的现场勘察和检查。实地调查表明,这座古宅的主要病害有:

(1)梁、柱、屋架榫卯连接松动,导致木框架整体倾斜。

(2)部分承重木柱脚腐朽。

(3)梁、柱、屋顶、檩条等木构件因干缩而出现沿纹理的宽而深的裂缝。

(4)部分梁、柱、檩条被虫蛀,尤其是梁端,造成严重的截面损失。


二、加固方案

根据古民居的结构特点和病害,考虑到古民居修复后只是作为景区建筑供贵宾偶尔参观,实际服务负荷较低。所以这个古宅的加固重点内容就是对倾斜的木框架进行矫正,对腐朽虫蛀的构件进行加固,恢复其力学性能。具体加固方案如下:

(1)拉直倾斜的木框架

拧直,即在不拆除木框架的情况下,将斜、扭、拉榫构件复位,然后进行整体加固。更换个别损坏严重的梁、梁、柱或同时采取其他修复加固措施。在矫直过程中,根据实际情况分几次进行调整,每次调整不宜过大。在施工过程中,如发现异常情况,应立即停止工作,查明原因,排除故障后,方可继续施工。在桁架端部安装榫头和榫眼时,榫头应完好无损,归位后用截面为8mm×50mm的平板钢板加固接头两侧。为了防止桁架端部修复后再次滚出,需要将钢筋钢板做成“D”形,使钢筋桁架与桃尖梁形成一个整体。如果榫蛀了,先把蛀坏的部分去掉。防腐处理后,用新的硬木榫预埋榫眼,粘接牢固,并用两侧钢板加固。


(2)修复木构件的干缩裂缝

多年后,由于木材本身因失水而径向收缩,木材构件不可避免地会沿截面射线开裂,形成多个垂直截面的纵向裂缝。根据构件中出现干缩裂缝的位置,采用以下方法进行加固:对于梁构件,当梁构件的水平裂缝深度(对侧有裂缝时,两者之和)小于梁宽或梁直径的1/4时,先用木条和防水胶将裂缝嵌贴密实,然后用双向CFRP布包裹约束。

对于柱构件,当柱构件的裂缝深度不超过柱直径的1/3(或该方向的界面尺寸)时,按以下填缝方法进行修补:当裂缝宽度不大于3mm时,可在柱的油画或断白过程中直接抹腻子;当裂缝宽度为3 ~ 30 mm时,用木条嵌牢,并用耐水胶粘接牢固。当裂缝宽度大于30毫米时,柱的裂缝部分用双向CFRP布包裹和约束,并用防水粘结剂紧固。当收缩裂缝深度超过上述限值,构件的验算承载力满足要求时,仍可采用上述方法,并用两层CFRP布包裹;如果构件的检查承载力达不到要求,则更换构件。

木结构加固

三、构件虫蛀、腐朽、强化

(1)表面虫蛀和腐朽处理

对中心完整、只有腐朽面的梁、柱等构件,应清除腐朽部分,防腐处理后,用干木按原形状和尺寸修补整齐,并用环氧树脂胶粘结。如果修理沿横截面进行一周,或者修理部分占构件横截面的1/3以上,则使用双向CFRP布在修理范围内包裹约束装置。


(2)虫蛀腐烂处理

当木构件内部因虫蛀或腐烂而中空时,如果柱表面的完整厚度不小于50毫米,则应使用不饱和环氧树脂灌浆进行灌注。浇注前,清除烂木块和杂物,在柱应力小的地方开孔。在柱构件上开孔时,先在柱脚开一个宽度不大于120毫米的方孔,然后每500毫米在空心顶部开一个孔。当柱的中空直径大于150毫米时,在中空部分填充木块以减少树脂的收缩。


四、通过夹紧和支撑加固梁端

端部不良、虫蛀造成截面损失较大的梁构件,参照《民用建筑修缮工程勘察设计规范》。对于上下侧损伤深度大于梁高1/3的梁构件,原梁构件采用优质风干材料夹紧加固,质地顺直,无木节和木髓。


五、墩连接方法加强柱脚损伤

对于柱脚衰减超过柱高1/4的柱构件,应使用新材料构件进行更换。柱脚腐朽但离柱底不超过柱高1/4的柱构件采用墩连接加固。常用的方法有:木墩接头、钢筋混凝土墩接头、石墩接头。为了尽量保持原貌,这次采用了木墩连接的加固方法。首先去除柱脚的腐朽部分,根据其余部分选择墩柱接头的榫卯样式,如“巴掌榫”、“手榫”,如图4所示。施工时,墩台接头的榫头应对接紧密,并在一定范围内用双向CFRP布包裹加固。为了保证连接区域的刚性,在该区域包裹两层CFRP片材。

木结构加固

六、节点加固

这座古宅的一些梁柱节点已经腐朽。加固时,将腐朽部分去除,露出原材料。防腐处理后,接头用新的硬木榫嵌入插座中,胶合牢固。整个接头用双向CFRP钢板包裹加固。用CFRP钢板加固后,榫卯连接的稳定性大大提高。



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