古建筑木结构加固修复工艺初探

古建筑木结构加固修复工艺初探

——以海月寺修复工程为例

引言

木结构是我国古代使地域最广，数量最多的建筑结构。它的产生、发展、变化贯穿整个古代建筑历史的全过程，木结构也是我国古代建筑成就的主要代表。即使在混凝土风行天下的在现代，仍有很多经典的古建筑木结构存于现世，木结构的运用虽然已经相对少了很多，但对古建筑的加固与修复仍然具有无可替代的作用。本文对古建筑木结构现状以及现有加固修复工艺做了一些尝试性探讨。我们相信，这样的学习研究，对我们继承传统文化，保护木结构建筑具有一定的现实意义。

1 现存古建筑木结构的损伤形式

由于长期受荷，环境潮湿，木材本身材质特性等影响，现存木结构古建有多种损伤形式。

1.1开裂

木材制作过程中，干燥前期裂缝主要由于木材顺纹方向的导水性大于横纹方向，所以在木材干燥时，端部、表部含水率大于侧部内部，纤维收缩受限从而产生拉应力，当拉应力大于横纹抗拉强度时产生裂缝，主要包括端裂、表裂和轮裂。干燥后期裂缝不易从木材外表发现，主要由于木材内层的拉应力引起，主要有内裂。还有由于木材受荷时间长久导致各受力性能降低，从而在外力作用下引起的开裂。

对于浅的端裂表裂现象，可以用刨光的方法去除，但深的表端裂不美观，而且会降低木材的强度，特别是抗剪强度，所以要采取相应的加固方式。对于内裂，一般可通过材面的凹陷来判断，同样不容忽视。

1.2糟朽

主要是由于木结构构件长期处于温暖潮湿的气候或者通风不良的环境下产生霉变，木材细胞壁被真菌分解而引起的糟烂以及解体。常见的糟朽部位有柱根、屋面角梁等。木材糟朽会使木材表面和边材变色，影响外观，还会木材的承载力强度和容重，同时增强木材的吸水性，使得导热性能增大，也加快霉变速度，加快了木材的糟朽，降低了木材的使用年限。可通过测定仪监测木结构构件的糟朽程度，然后通过干燥、加防腐剂毒化、根除严重部位等措施进行修复。

1.3挠度

主要体现在古建筑木梁上，木梁在长期荷载作用下，由于木材各受力性能的降低导致跨中挠度过大，从而超过规范允许范围。不仅影响到木梁的外观，若不及时采取加固措施，久而久之，木梁就会发生受弯破坏。

1.4拔榫

古建筑木结构梁柱大都以榫卯形式连接，主要优点在于抗震效果颇佳，在地震作用下，榫和卯通过摩擦滑移与挤压变形进行耗能，减小破坏。然而榫卯节点的拔拉挤压造成节点自身的刚度降低，使结构节点由半刚性向铰接过渡。拔榫很容易产生拉、压、弯、剪破坏，造成结构局部失稳，影响木结构的整体稳定性能，甚至会使整栋建筑产生倾覆性破坏。

1.5其他

除了以上四种主要的损坏形式，还有一些由于其他因素引起的损伤。例如，当古建筑选址在河道、粉砂土层或潜在滑坡地带时，由于山体滑坡或地基不均匀沉降所导致的地基破坏；

古建筑柱底浮搁于柱顶石上时，在地震作用下柱底容易产生侧移现象；古建筑梁架搁置在柱顶或斗拱顶上，在地震作用下梁架随柱顶侧移产生的歪闪现象；还有脊件脱落、装修破坏等损坏

2 木结构古建筑的现有加固修复工艺

对木结构古建筑的加固修复，不少前辈在实践经验的基础上，不断总结经验，已经形成了一套较为完整的加固修复工艺体系。主要分为整体加固和局部加固。

2.1整体加固

对于梁架整体而言, 加固形式有如下三种。

①落架大修

当木构架中主要承重构件残损，有待彻底整修或更换时，先将木构架局部或全部拆落，修配后再按原状安装的维修方法称为落架大修。不过，这一修缮方法对古建筑原有价值的损害较大，实际上也属于一种拆旧建新的做法，需要根据建筑本身的保存状况、危病害程度综合评估考量，认真抉择。

②支顶拔正

木架倾斜会造成墙体倾斜和裂缝，一般不可以拆砌，对于这种情况采取支顶拔正法。即在不拆落木构架的情况下，首先对整体梁架支顶，使倾斜、扭转、拔榫的构件复位，再进行整体加固，对个别残损严重的梁枋、斗等应同时进行更换或采取其它修补加固措施。

③修整加固

即在不揭除瓦顶和不拆动构架的情况下，直接对木构架进行整体加固。该法仅适用于木构架变形小，构件位移不大的维修工程。

2.2局部加固

2.2.1开裂加固

①裂缝不大

如果梁、柱裂缝不大，可采用嵌补加固法。对于梁的干缩裂缝，当构件的水平裂缝深度小于梁宽或梁直径的1/4时,可先用木条和耐水性胶粘剂，将缝隙嵌补粘接严实，再用两道以上的铁箍或玻璃钢箍箍紧。对于木柱的干缩裂缝，当其深度不超过柱径(或该方向截面尺寸)1/3,且裂缝宽度小于30mm时，可用木条嵌补，并用耐水性胶粘剂粘牢。且嵌补木条需要使用顺纹长条。

②裂缝较大

当梁、柱裂缝较大时，进行嵌补加固的同时还需要用铁件进行加固。对于超出木材应力允许范围的裂缝，即应考虑更换。

2.2.2

糟朽加固

①局部腐朽木材的处理

对局部腐朽的木材，可以采用的方法有挖补法和包镶法。

挖补法进行挖补时，为了便于嵌补，剔成直且稍向内里倾斜的洞，一般挖成规则的几何形状，剔挖面积最大限度的保留未腐朽的部分。再用相同木材干燥的木料制作成凿好补同的形状，吻合嵌补。需要注意的是嵌补前补块需进行防腐处理，用胶粘结楔紧严实。

当糟朽面积在周围面积一半以上，深度不超直径的1/4时，可采用包镶法。必要时还可以加铁或玻璃钢箍1~2道进行加固，箍筋需嵌进木头，箍外皮与木材外皮相齐，便于油饰。

②中空腐朽木材的处理

木材可能由于虫蚁的蛀蚀，外皮完好内里糟朽，这种情况下就可才用高分子化学加固浇铸的方法。不饱和聚酯树脂和环氧树脂浇铸。同样，浇铸前需要把糟朽的部分全部剔掉，木

屑清除干净，浇筑过程中不断用丙酮和香焦水擦去浇铸的痕迹。需要注意的是，浇铸前需将与此块木材有关连的榫卯或其他木材事先用纸包好，以免影响以后的修缮。

③严重腐朽木材的处理

木材腐朽深度大于等于1/2时，应采取墩接的方法。即将柱子糟朽部分截掉，换上新料，通常用于柱根的加固。常见的作法是做刻半榫墩接，方法是：将接在一起的柱料各刻去直径的1/2作为搭接部分,搭接长度一般为柱径的1~1.5倍，端头做半榫,以防搭接部分移位。同样还有齐头墩接的方法，但不管运用哪种方法墩接，都必须严格做好木材的化学防腐处理。

（引用）

2.2.3拔榫加固

拔榫的加固方法目前较好的有扁钢加固和碳纤维布加固，以及铁条和扒锯加固。

虽然铁条加固目前使用广泛，但是铁条会影响榫卯本身的工作机制与连接特性。

扁钢加固木构架榫卯节点可以提高其强度,但同时也增加了刚度, 从而会受到更大的地震作用,因此需进一步研究加固后刚度与强度的变化规律, 从而选择扁钢的合适用，扁钢加固适合强度或刚度明显不足且较隐蔽的榫卯节点。

碳纤维布加固木构架榫卯节点对其强度和刚度提高不是很大, 但能恢复到未损坏之前的状态, 达到了维修加固的目的，适合于破损程度较小的榫卯节点。

3对“海月寺”实际案例的分析

3.1工程概况

海月寺地处江苏如皋县城，始建于宋代，虽经历代重修，但基本格局尚存。海月寺的格局基本保持了中国传统佛教寺庙的布局与建筑特点。现虽仅存山门和钟、鼓二楼，但座北朝南，平面方形，中轴线对称，庄重有序、院落宽敞、建筑严谨。

山门面阔三间，东西约11.8米，进深约8.9米。为单层木结构，双坡硬山顶，山墙为清水砖墙。采用抬梁式结构，内五界后单步。后檐廊采用船篷轩，月梁、童柱。

穿过山门，院内两株300多年的银杏枝叶婆娑，钟、鼓楼沿中轴线对称布置，分列东西。钟、鼓楼东西进深约3.4米，南北约6.9米。为双层木结构，四坡歇山顶，山墙为清水砖墙。为抬梁式结构，内四界带单层前檐廊。

3.2现场勘查现存损伤

3.2.1整体损伤

①环境状况

院落内甬道、铺地、明沟等都已不见踪影。连接山门和钟、鼓楼的东西厢房已被拆除，仅残留东厢房东墙及少量立柱。钟、鼓楼北侧大殿处杂草丛生。

②山门

山门因使用单位多次变更，已为各种后期搭建所包围，外部仅可见屋顶及局部山墙。屋顶被开出六处天窗，西侧屋脊处透光、漏雨。因多次功能变更，穿枋、垫版受损约80%；覆盆式柱础因地坪抬高均已埋入地下；山墙略有风化，局部可见斜向裂缝，东山墙两端缺损；原有室内外铺地、阶沿、门窗已不存。

③钟、鼓楼

钟、鼓楼因曾有居民居住，破损更为

严重。前檐廊仅余立柱及檩条，屋顶、椽

子均被拆除；二层檐口处屋面瓦、望砖脱

落，二层木楼面整体缺失，鼓楼北侧楼梯

仅余斜梁；磉墩埋入地下；外墙上住户曾

开设门洞，后用砖填实，现已摇摇欲坠；

室内外铺地均已破坏，原门窗已拆除，仅钟楼有七扇因被原住户用做天花板而保存下来。

3.2.2主要构件及节点损伤情况

①柱

部分承重木柱柱脚腐朽；

部分木柱柱身有纵向裂缝；

极少数柱柱头处卯口边缘木材缺失或开裂；

多数柱表面漆脱落。

②梁

部分梁，檩条受潮；

部分梁梁端存在虫蛀导致截面破坏；

部分脊檩受力开裂；

个别梁挠度过大；

多数梁表面漆脱落。

③节点

部分梁，柱，屋架节点榫卯松动；

部分梁，柱节点存在腐朽现象

3.3加固修复方案

在经过现场勘查之后，结合力学分析和前人经验，同时遵循“修旧如旧”的原则，合理选择加固修复方案。主要运用了FRP加固法。

3.3.1柱的加固

木柱由于失水干缩造成的裂缝如果过大，会对木材的承载力产生影响，会造成木材的抗剪性能严重降低，如果不控制，裂缝将继续开展，造成应力重分布，因此需对木材干缩裂缝进行修补。修补方案如下：①当柱构件裂缝宽度不超过柱径（或该方向界面尺寸）1/3时，按下列钱不防范进行修整：当裂缝不大于3mm时，在柱的油饰或断白过程中，用腻子勾抹严实；②当裂缝宽度在3mm~30mm时，用木条嵌补并用耐水性胶粘剂粘牢；③当裂缝宽度大于30mm时，除用木条以耐水性胶粘剂补严粘牢外，尚应在柱的开裂段内加FRP箍2~3层。若柱的开裂段较长，则箍距不宜大于0.5m。FRP箍应嵌入柱内，使其外皮与柱外皮齐平。

对于柱脚有腐朽的柱构件，具体处理方法如下：①柱心完好、仅有表层腐朽、且经验算剩余截面尚能满足受力要求时，可将腐朽部分剔除干净，经防腐处理后，用干燥木材依原样和原尺寸修补整齐，并用耐水性胶粘剂粘接。如系周围剔补，尚需加设FRP箍2~3层。②柱脚腐朽验证，但自柱底面向上未超过柱高的1/4时，柱脚需进行墩接处理。墩接时可根据腐朽程度、部位选择墩接材料。用木料墩接先将腐朽部分剔除，再根据剩余部分选择墩接的样卯式样，如“巴掌榫”、“抄手榫”等（如图5）。施工时，采用在接缝区域一定范围内设置双向FRP箍2层（如图6）。

图5 柱脚墩接示意图

图6 柱接头FRP加固（X为墩接接头长度）

（引用

和）

3.3.2梁的加固

对于部分受力开裂的脊檩，为防止裂缝继续发展，先灌入环氧树脂填充，然后采用5cm 宽间距0.5m设置FRP箍，并刷木材颜色漆。为防止出现破损的脊檩在挖补修理时产生应力集中破坏，使用木块与环氧树脂填充截面缺损，然后采用沿构件长度方向残损大小的FRP 箍环向全范围包扎两层，刷木材颜色漆。

对于梁端截面存在损失且较大的梁构件，参考《民用建筑修缮工程查勘与设计规程》（引用，对梁上下侧损坏深度大鱼梁高1/3的梁构件，采用纹理平直，没有木结和髓心的优质气干材对原梁构件进行夹接加固处理（如图7）。

图7 木梁夹接加固示意图

对于挠度过大的梁构件，可以通过对梁架进行支顶来减小其挠度。支顶加固通常有两种

形式:当木梁下有梁枋时，可在梁枋上设置木柱作为附加支座；当木梁下没有梁枋时，可在木梁侧方设置铁钩拉接，铁钩一端钉入木梁内，另一端钉入附近梁架内，该铁钩同样起到附加支座作用。支顶加固法可有效改善木梁内力重分布，降低木梁跨中挠度和弯距，提高木梁的受荷性能。

3.3.3节点的处理

对于梁柱节点的腐朽问题，加固时需要先将腐朽部分剔除，再将新制的榫头嵌入卯口且用胶粘牢，并采用双向的CEPR布对整个节点进行包裹加固。

4 结语

木结构是中国古建筑的主要样式，其损伤形式主要有、开裂、糟朽、挠度和拔榫等情况，根据具体情况应采取整体或局部的加固修复。前辈的实践经验和理论总结值得我们学习、研究和借鉴。但在具体的木结构固件修复过程中，应该注重调查研究，根据具体情况，确定符合实际的修复方案。海月寺修复方案的确定，是我们对木结构古建筑修复的一次有益实践。有望前辈方家批评指正。

参考文献

5、张大庆《中国江南禅宗寺院建筑》湖北教育出版社2002