楊 健，孫 強(qiáng)，于鑫鑫

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

徽州傳統(tǒng)建筑擁有深厚的文化內(nèi)涵和鮮明的地方特征，古村落民居作為“徽州三絕”之一，在中國傳統(tǒng)民居風(fēng)格中更是獨(dú)樹一幟。國內(nèi)外專家和學(xué)者對(duì)古建筑木結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究。謝啟芳[1]通過對(duì)矩形木梁的靜力試驗(yàn)，對(duì)碳纖維布加固木梁的抗彎性能,包括破壞特征及撓度等性能進(jìn)行了研究。宋曉濱等[2]進(jìn)行了帶縱縫木梁足尺試件彎曲加載試驗(yàn)，驗(yàn)證木梁縱縫長度和位置等參數(shù)對(duì)木梁承載力都會(huì)產(chǎn)生影響。李愛群等[3]針對(duì)木結(jié)構(gòu)中裂縫、糟朽、拔榫滾動(dòng)等典型損傷形式，分類綜述中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)修復(fù)加固技術(shù)類型。

近年來,現(xiàn)代技術(shù)廣泛應(yīng)用于古建筑木結(jié)構(gòu)的修繕加固。張風(fēng)亮等[4]基于CFRP加固木結(jié)構(gòu)殘損節(jié)點(diǎn)的加固方式及破壞形態(tài)，對(duì)碳纖維布加固殘損節(jié)點(diǎn)的受力性能進(jìn)行分析，提出碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)殘損節(jié)點(diǎn)的抗彎承載力計(jì)算公式。王懿鑫[5]對(duì)BFRP布加固足尺寸圓截面木梁抗彎性能進(jìn)行研究，驗(yàn)證在原木梁受拉區(qū)粘貼BFRP可以有效地提高原木梁的極限承載力與變形能力。文獻(xiàn)[6-7]中木梁內(nèi)部由于蛀蟲啃食，修繕時(shí)很難確定損傷位置，可以利用現(xiàn)代化檢測(cè)儀器(如超聲波)對(duì)木梁進(jìn)行無損檢測(cè)，待確定位置后進(jìn)行化學(xué)加固方法修復(fù)。

綜合文獻(xiàn)研究?jī)?nèi)容可以看出，對(duì)徽州傳統(tǒng)建筑木梁的修繕方法研究卻很少提及。環(huán)境因素以及人為破壞等原因使得木梁產(chǎn)生不同程度的裂縫、糟朽破壞以及撓度變形等問題，通過對(duì)木梁常見修繕方法進(jìn)行研究，并進(jìn)行理論計(jì)算與數(shù)值分析結(jié)果對(duì)比，得出較為可靠的結(jié)論，為今后徽州傳統(tǒng)建筑木梁的加固提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

1 徽州傳統(tǒng)建筑木梁修繕方法

徽州傳統(tǒng)建筑木構(gòu)架的損壞形式主要包括木柱柱根和梁枋糟朽、脫榫現(xiàn)象、檁條彎垂、梁撓度變形、木構(gòu)架整體傾斜等情況。究其原因主要是潮濕環(huán)境、蟲蟻侵蝕、雨水侵害、年久失修以及人為破壞等。對(duì)于木構(gòu)架重要組成部分的木梁來說，主要有以下3種常見損壞形式及其修繕方法。

1.1 木梁梁身裂縫修繕

木梁出現(xiàn)干縮裂縫或劈裂裂縫時(shí)，根據(jù)裂縫尺寸大小進(jìn)行處理：

1)當(dāng)木梁的水平裂縫深度(當(dāng)有對(duì)面裂縫時(shí)，用兩者之和)小于梁寬或梁直徑的1/4時(shí)，宜采取嵌補(bǔ)新木條的方法進(jìn)行修繕，必要時(shí)再用鐵箍箍緊，鐵箍間距不宜超過500 mm；

2)若構(gòu)件的裂縫深度超過上述限值，則應(yīng)對(duì)木梁進(jìn)行承載能力驗(yàn)算。若驗(yàn)算結(jié)果滿足結(jié)構(gòu)承載力要求，則仍可以采用方法1)進(jìn)行修繕；若驗(yàn)算結(jié)果不滿足結(jié)構(gòu)承載力要求時(shí)，可在木梁內(nèi)埋入型鋼或其他構(gòu)件；當(dāng)不能埋入其他構(gòu)件時(shí)，應(yīng)按照原樣式更換木梁，新梁制作方法參照省級(jí)工法《徽州傳統(tǒng)建筑木梁柱制作安裝施工工法》[8 ]。

1.2 木梁梁身局部糟朽修繕

木梁表面局部出現(xiàn)腐朽，對(duì)不影響木構(gòu)件受力且剩余截面的承載力滿足規(guī)范中承載力要求，在確保安全的情況下可以進(jìn)行局部剜補(bǔ)新木的方法；當(dāng)不滿足相關(guān)承載力的要求時(shí)，可以采用內(nèi)置鋼板或鋼筋等加固方法；如果腐朽面積較大且嚴(yán)重，深及木梁內(nèi)部且影響承重或承重部位長期受壓產(chǎn)生劈裂或環(huán)裂破壞時(shí)，則應(yīng)考慮更換木梁。

1.3 木梁內(nèi)部糟朽修繕

對(duì)于一些梁內(nèi)部已經(jīng)糟朽嚴(yán)重，但其表面彩繪和精美的雕刻，為了最大限度地傳承其展現(xiàn)出的文化信息及其存在的文物價(jià)值，在修復(fù)過程中可以將梁內(nèi)部糟朽部位和相應(yīng)的構(gòu)件表面一并掏空，在內(nèi)部采用植芯新木的方法進(jìn)行修繕加固。

2 徽州傳統(tǒng)建筑木梁有限元分析

2.1 木材本構(gòu)關(guān)系

在進(jìn)行木結(jié)構(gòu)的抗壓結(jié)構(gòu)理論分析中，為了方便計(jì)算，木材順紋本構(gòu)關(guān)系簡(jiǎn)化為：應(yīng)變?cè)?～εL1的范圍內(nèi)，木材處于彈性階段；應(yīng)變?cè)讦臠1～εL2范圍內(nèi)，木材處于塑性階段；應(yīng)變?cè)讦臠1～εn范圍內(nèi)，木材的線應(yīng)變處于弱化階段；應(yīng)變?cè)讦?εn的范圍內(nèi)，木材處于強(qiáng)化階段。它的本構(gòu)關(guān)系見式(1)。

(1)

式中：p1(ε)=(ε-a);p2(ε)=(ε-a)2-b；ET=(σn-σL)/(εn-εL2)。

木材在橫紋受壓時(shí)，其橫紋本構(gòu)關(guān)系簡(jiǎn)化為：應(yīng)變?cè)?～εL范圍內(nèi)，木材處于線彈性階段；應(yīng)變?cè)讦臠～ε范圍內(nèi)，木材的線應(yīng)變處于弱化階段；應(yīng)變?cè)讦?εn范圍內(nèi)，木材處于強(qiáng)化階段。它的本構(gòu)關(guān)系見式(2)。

σ=EL·ε,0<ε<εL，

σ=σL+EL(ε-εL),εL<ε<εn，

(2)

σ=c0+c1p1(ε)+c2p2(ε)+c3p3(ε),ε>εn.

式中：p1(ε)=(ε-a);p2(ε)=(ε-a)2-b；p3(ε)=(ε-a)2-b2(ε-a)；ER=(σn-σL)/(εn-εL)。其中，EL為木材的彈性模量，MPa；ET為木材的切線模量，MPa；σL為木材初始彈性階段應(yīng)力，MPa。

2.2 有限元模型建立

本文研究對(duì)象是安徽建筑大學(xué)結(jié)構(gòu)大廳中從黃山整體搬遷過來的1棟徽州古民居建筑中堂的1根木梁(見圖1)。該木梁截面長邊略有弧度，由于總體近似于矩形，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，計(jì)算模型采用矩形截面，截面長邊稍許弧度忽略不計(jì)，木梁的長為4 400 mm，截面尺寸為240 mm×400 mm(寬×高)，鐵箍厚度5 mm，寬度50 mm。根據(jù)徽州傳統(tǒng)建筑木梁的實(shí)際糟朽情況建模，并利用ANSYS進(jìn)行加固前、后的數(shù)值分析。

關(guān)于材料單元選取，ANSYS中木梁選取實(shí)體單元SOLID45，鐵箍采用SOLID187，在模擬榫卯連接時(shí)采用半剛性特點(diǎn)時(shí)，需用接觸單元來分析，以TARGE170單元作為目標(biāo)面，CONTA174單元為接觸面，采用面面接觸，程序通過相同的實(shí)常數(shù)號(hào)來識(shí)別接觸對(duì)，兩者之間的摩擦系數(shù)為0.5[9]。具體參數(shù)如表1所示。

表1 杉木性能參數(shù)

注：表中的R，L，T分別表示木材的徑向、縱向、弦向，木材選用徽州當(dāng)?shù)厣寄荆F箍的參數(shù)E=206 GPa，μ=0.3，ρ=7 800 kg/m3。

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算工況

1)工況一(木梁梁身裂縫)：梁身出現(xiàn)裂縫情況如圖2所示，裂縫取長方形體，前后裂縫對(duì)稱且裂縫處尺寸具體每處3 000 mm×90 mm×40 mm(長×寬×高)，裂縫的截面底邊距離木梁底面為180 mm，梁身裂縫嵌補(bǔ)修繕如圖3所示。

圖2 木梁梁身裂縫

圖3 梁身裂縫嵌補(bǔ)修繕

2)工況二(木梁梁身局部糟朽)：木梁梁身中間部位受損情況如圖4所示，糟朽部位最深處200 mm，長度1 200 mm，正中截面去除糟朽部位后近似于200 mm×240 mm(高×寬)的矩形，為了便于分析剩余截面，按照矩形進(jìn)行計(jì)算，木梁局部剜補(bǔ)修繕如圖5所示。

圖4 梁身局部糟朽

圖5 梁身局部剜補(bǔ)修繕

3) 工況三(木梁內(nèi)部糟朽)：木梁內(nèi)部受損嚴(yán)重，髓芯糟朽情況如圖6所示，木梁內(nèi)部糟朽部位近似于一個(gè)4 200 mm×180 mm×340 mm(長×寬×高)的長方體，糟朽部位到木梁外殼外表面30 mm，木梁內(nèi)部新木植芯修繕如圖7所示。

圖6 梁身內(nèi)部糟朽

2.4 木梁加固前、加固后理論計(jì)算與數(shù)值分析對(duì)比

運(yùn)用ANSYS對(duì)3種工況下的木梁加固前與加固后進(jìn)行數(shù)值分析，可得出木梁的位移、剪應(yīng)力和應(yīng)力的云圖，為驗(yàn)證木梁的抗彎強(qiáng)度是否滿足規(guī)范安全指標(biāo)，根據(jù)規(guī)范需要得出受彎強(qiáng)度的數(shù)值[10 ]。即需要利用有限元計(jì)算出的應(yīng)力先求出彎矩，再計(jì)算受彎承載力。

圖7 梁身內(nèi)部植芯修繕

M=∑σiAili.

(3)

式中：σi為木梁?jiǎn)卧涡乃鶎?duì)應(yīng)的法向應(yīng)力；Ai為單元表面面積；li為單元形心到截面距離；M為彎矩值。

根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，求出木梁修繕加固前、后的抗彎承載力、抗剪承載力與撓度值理論計(jì)算數(shù)值。各工況下木梁加固前與加固后理論計(jì)算結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果見表2、表3和表4。

表2 工況一加固前、后理論計(jì)算與數(shù)值分析結(jié)果

表3 工況二加固前、后理論計(jì)算與數(shù)值分析結(jié)果

表4 工況三加固前、后理論計(jì)算與數(shù)值分析結(jié)果

根據(jù)上述3種工況下木梁在加固前、加固后理論計(jì)算結(jié)果和數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析，歸納如下：

1)工況一木梁梁身出現(xiàn)裂縫的情況下，造成木梁裂縫處剪應(yīng)力變大，其數(shù)值接近抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因此，需要進(jìn)行嵌補(bǔ)新木并用兩道鐵箍加固，其數(shù)值分析結(jié)果也可以輔助證明。

2)工況二木梁出現(xiàn)局部糟朽的情況下，由于糟朽部位處于木梁中部，造成木梁抗彎承載力以及撓度不滿足規(guī)范要求，因此，需要進(jìn)行剜補(bǔ)新木加固。綜合加固前后的數(shù)據(jù)來看,修繕后能夠大幅度減小木梁撓度，從而提高木梁的整體安全性。

3)工況三木梁內(nèi)部糟朽破壞的情況下，木梁髓心糟朽破壞部分剪切應(yīng)力較大，不滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，需要進(jìn)行植芯加固，從數(shù)值計(jì)算結(jié)果也可以得到驗(yàn)證。

4)上述3種工況的理論計(jì)算和數(shù)值分析的數(shù)值之間存在一定誤差，但是對(duì)在修繕加固前木梁是否滿足承載力要求的判斷并不產(chǎn)生影響，兩者均證明運(yùn)用本文的修繕加固方法后對(duì)木梁的承載力有了極大改善。

3 結(jié) 論

本文在查閱文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，再到徽州地區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研,對(duì)徽州傳統(tǒng)建筑木構(gòu)架中木梁常見破損形式及其修繕加固方法進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

1)歸納徽州傳統(tǒng)建筑中木梁常見的損傷形式及其修繕方法，可以采用裂縫嵌補(bǔ)、局部剜補(bǔ)、植芯加固等方法對(duì)木梁進(jìn)行修繕加固。通過對(duì)木梁進(jìn)行抗彎承載力驗(yàn)算、抗剪承載力驗(yàn)算和撓度驗(yàn)算，以此判斷木梁是否滿足承載能力要求和正常使用要求。

2)采用有限元分析軟件對(duì)木梁破損情況進(jìn)行數(shù)值分析，通過結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證3種工況下木梁均不能滿足承載力要求，進(jìn)而需要對(duì)木梁進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的修繕加固，對(duì)于加固后的木梁，其承載能力均滿足要求。

3)通過對(duì)比3種工況下木梁破損情況的理論計(jì)算和數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)其抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和撓度值雖然存在一定差距，但是在是否滿足規(guī)范的結(jié)果上是一致的，從而驗(yàn)證采用理論計(jì)算和數(shù)值分析的方法都可對(duì)木梁的承載力和撓度進(jìn)行驗(yàn)算，并且證明本文所總結(jié)的徽州傳統(tǒng)建筑木梁修繕加固方法的可行性。

同時(shí)本文針對(duì)研究?jī)?nèi)容提供后續(xù)研究展望：

1)本文只對(duì)木梁梁身裂縫、局部糟朽、髓心糟朽3種破損情況進(jìn)行研究，并且損壞部位選取都是典型，對(duì)于不同缺損部位、缺損深度以及其他修復(fù)方法有待進(jìn)一步研究。

2)古建筑木結(jié)構(gòu)木梁的加固修繕可以和BIM軟件進(jìn)一步結(jié)合起來，更方便直觀地了解木梁修繕過程中的具體操作和遇到的難點(diǎn)問題。