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古建筑木屋架修复碳纤维加固技术运用

摘要:木质结构的古建筑是我国珍贵的历史文化遗产,而随着时代的变迁,一些木质结构建筑物在风吹雨淋中不断腐朽、遭到破坏。本文主要以张治中将军府邸修缮为例,以木屋架的结构修复为切入点,探寻新材料、新工艺在古建筑木屋架修复中的实际使用情况,以期为古建筑加固提供借鉴和参考。

关键词:古建筑;木结构;碳纤维;运用

1张治中将军府

张治中将军府邸位于南京市鼓楼区中山北路,始建于1959年,总面积约1000m2。整座宅子呈飞机形状,分为机头、两机翼及机身部分。机头为两层小高楼;机翼与机身部分为一层建筑,层高5m。对该建筑的修缮加固,有利于保证其原有的历史样貌;保留并修复其府邸,有利于延续历史文脉,保护我国优秀的文化遗产,为现代人提供睹物思人的物质载体,承载着现代人的精神寄托。因此,对张治中将军府邸进行修缮,意义深远。

2屋架的特点

本文将对府邸的机身部分进行加固改造。张治中将军府邸的结构形式为轻型砖木结构,屋架部分为全木框架结构,四周的墙体为砖墙,总建筑面积为350m2。该建筑的抗震设防分类为丙类,抗震防裂强度为七度,是Ⅲ类场地类别,建筑的结构安全等级为二级,设计使用年限为50年。该屋架的形式为木屋架,共有六榀三角形人字木屋架,分别由上弦、下弦、腹杆、檩条和椽条构成。笔者经过检查发现,第四榀木屋架局部曾有过较大的加固改造(见图1)。研究发现,经过加固后的新木料无明显损伤及变形,老旧木料轻微腐蚀,同时存在部分虫蛀现象,且老旧木料的上弦、斜撑及下弦有细小裂缝,但不影响主要的结构性能。而情况最为严重的为第三榀屋架,该木屋架上弦侧面有宽9mm的干缩裂缝,有斜纹,斜率为1/17,表层轻微腐朽,有轻微虫蛀现象。檩条部分有较多干缩裂缝。斜撑有7mm×750mm×10mm的干缩裂缝,表层全身腐朽,但无明显心腐迹象。下弦侧面有5mm×2300mm×11mm的干缩裂缝,微扭,表层轻微腐朽,有轻微虫蛀现象,节点处有很多细小裂缝。木屋架与砌体结构支座处木材含水率较高,有轻微腐蚀现象。

3新型加固材料在古建筑木屋架修复中的运用

3.1木结构加固概述

木结构是我国传统的建筑结构形式,在古代社会,工业文明不够发达、机械化生产水平较低,能够用来作为房屋梁架的材料只有木材,而我国地广物博,物质生产资源丰富,各种树种的木构件也登上了历史的舞台。随着历史的不断演进,木结构建筑的工艺水平也不断发展,尤其是一些近代的历史古建筑,外观雄浑壮丽,内饰精巧别致,让人不得不赞叹古代劳动人民的智慧。目前,我国现存的大量古建筑形式丰富,有木建筑的名居、桥梁、寺庙、楼塔、宫廷建筑物等,这些古建筑都是历史遗留给后人的宝贵财富,我们在欣赏其外形美的同时,应加倍珍惜,并对其进行保护。但是,近年来由于年代久远,环境质量下降,很多木结构古建筑都出现了各种各样的问题,而对于这些问题如果缺乏关注和处理,将会导致木构件荷载能力的改变,甚至影响其特有的建筑结构安全。因此,对木结构古建筑的加固及修缮的意义重大。传统的加固及修复木结构的方法是直接用新材料或者混凝土材料去替换原来的木结构,这些加固方法较为简单,不仅成本高、施工难度大,还容易破坏木结构的原始结构形式,让这些木结构失去历史文物价值,破坏了古建筑的原有风貌,不能达到古建筑“修旧如旧”的标准,且运用的金属构件易腐蚀,加重了结构承载力,并不是一种最优的加固方案。

3.2碳纤维加固技术的优点

碳纤维增强材料是一种纤维增强材料[1],它由高强度的纤维和树脂基体结合而成,其最早被用于航空航天领域。相对于传统的增大截面及粘钢法,碳纤维材料可以显著减少固定设施的设置和占地面积,可以更好地保证古建筑的原始风貌[2]。另外,碳纤维材料的质量更轻、强度更高,在保证加固质量与效果的同时,能避免因加固材料自重而增加额外尺寸;碳纤维材料中的碳元素拥有最稳定的分子结构,可以对抗自然环境中雨水和紫外光照的侵蚀,有效提高加固件的抗腐蚀性和耐久性。此外,研究还发现,将碳纤维材料粘贴于木梁底部,可缓解木梁在受拉时所发生的脆性破坏[3],减轻蠕变挠度;将碳纤维材料粘贴于材料的受拉面,可提高其极限承载能力,增强其抗弯性能。因此,碳纤维加固材料可以从根本上保证其力学性能。在本工程中,碳纤维材料的加固优势也是相当显著的。首先,木料的腐蚀和伸缩裂缝还没有达到需要彻底更换的程度,这些裂缝如果能够被妥善处理,可极大增强其承载力与使用寿命;其次,木屋架承载着屋面的主要荷载,若增加铁质固件或水泥制品,势必会加重其负荷,日积月累会缩短其使用年限。从施工的便利性看,5m多的层高要求更为轻巧的修补件,这样将大幅降低垂直运输的难度。

3.3碳纤维加固技术的施工工艺

优秀的施工工艺是建筑结构安全的关键,只有做到专业务实,才能将设计者的理念落到实处,才能让建筑得到切实的保养,延长建筑的使用寿命。碳纤维材料作为一种新兴加固材料,其施工的工艺还未被普及,很多不熟练的施工人员往往不能掌握其工艺要点,无法将其有效地粘贴在被加固件上,影响加固的最终成效。因此,笔者在本次的碳纤维加固中严格控制施工质量,充分关注细节,严选操作熟练的施工人员,努力去缝合木料上的每一道“岁月裂纹”,让这些“岁月的风霜”只停留在表面,不深入“骨髓”。通过专业的检测,笔者发现在此次待加固的木屋架中,主要存在的问题表现为较多的干缩裂纹和屋架的腐蚀。裂缝的长度和开裂的深度各不相同,有些裂缝是木料经过长时间风干后形成的干缩裂缝,此类裂缝较多;还有一些裂缝是木料受潮后发生的表面腐蚀,对于这类裂缝的处置就要细致耐心。处理裂缝时,首先是用毛刷等工具彻底清洁裂缝处的沉积物及浮灰,待加固面完全暴露及清灰完成后,在木梁上弹线并确定轮廓,特别是腐烂的地方,要将腐烂的木料用刀片彻底剔除干净并控干周围的水分;然后根据弹线确定碳纤维布的大小[4],用木材专用的桐油及石灰混合物对裂缝进行填补找平;最后将裁剪后的碳纤维布紧密缠绕在受加固的木构架部位。在粘贴碳纤维布时要注意碳纤维布的可靠搭接,并留有足够的搭接长度,还要保证碳纤维结构胶与木料、碳纤维布的充分接触,应尽可能地让碳纤维结构胶充分渗入碳纤维丝之间(细部处可用针筒注射胶),粘贴完后要用专门的滚压工具不断进行滚压[5],以去除内部的气泡,保证充分粘接。在粘接完之后还要涂抹浸渍胶,以养护碳纤维布。

3.4碳纤维加固技术的施工效果

张治中将军府邸的木屋架经过本次的碳纤维加固后,其综合力学性能得到了很大程度的提高,木屋架的抗压及抗变形的能力进一步增强,同时也减少裂缝的进一步扩散。除了对木屋架的加固,笔者还利用植筋法,对大礼堂的四周墙体进行了彻底加固。经过加固改造后的木屋架不仅满足了现有的安全荷载要求,更是为后期改造为大型会议室提供了力量支撑。为满足院内的需要,该建筑因楼层标高较高、面积较大、中间无柱子等支撑物,适合改造为一个大型会议室。而作为一个大型公共场所,消防安全应放在首位。没有消防设施为与会人员保驾护航,与会人员的性命就成了空谈。因此,此次加固后的木屋架应既能承载空调风管和装饰铝板的重量,又能拉结消防的喷淋管道。经过严密计算,设计院在受力方向增加20#槽钢,用来传递平均荷载,而在非受力方向增加8#槽钢作为转换层,这样,该屋架的荷载达80kg/m2,能满足吊装空调风管及喷淋管道的负载。装修改造后的大礼堂一改往日破旧不堪的模样,犹如脱胎换骨般让人耳目一新,外观上是古色古香的文物建筑,而内部却是现代化的多功能会议室,配合高端音响设备,给人以极致的视听体验。由此可见,运用碳纤维加固技术能大幅减少人力和物力的投入,具有显著的经济效益。同时,该会议室多次转播医院手术室的现场视频,为医护人员的学习进修提供场所,具有很好的社会效益。本工程从检测木屋架的性能到最终加固完成只耗时一个月,而碳纤维布的施工仅花费4d。碳纤维加固技术相对于铁质固件的加固而言,不需要现场涂刷防锈漆等涂料,对环境的污染小;相对于混凝土的加固而言,现场没有大量的材料和设备堆放,施工的占地面积较小。总体而言,碳纤维加固具有施工周期短、施工难度低的优势,与传统的加固方法相比,碳纤维加固技术安全可靠、绿色环保,对于追求时间效益的项目工程,碳纤维加固更是省时利器。当然,本工程成功使用碳纤维加固的示范,也将为碳纤维在其他工程领域中的运用提供探索实践的样本。

4结语

文化是城市的灵魂,城市历史文化是前人智慧的沉淀,是城市内涵品质、特色的重要标志。而老建筑正是历史文脉的载体,其记载着不同地域的人文色彩,记录着时代变革的轨迹,蕴含着丰富的历史文化内涵,是多元文化的物质基础。现代人如果能够充分利用科学技术,对这些老建筑进行合理的修缮,让这些老建筑既能满足现代社会图2 装修改造后的大礼堂现场图(图片来源:作者自摄)的使用功能,实现客观的经济价值,又能有效保护不同地区的各类文物,实现文物的社会价值,那么对老建筑的保护修缮则更富含传承价值,这也是传承和发展的要义。现代文明若在发展的同时能够带上这些烙有历史文化印记的“年长者”,能够“亦老亦新”、新老结合,让不同年代、风格的老建筑散落在城市的各个角落,让这些老建筑娓娓“述说”自己的故事,让这些历史故事支撑起城市的灵魂,满足现代人的精神需求,让人们记得住历史、忘不了乡愁,这样的城市之美才会更丰满、更立体、更多元。

参考文献

[1]张鑫,李安起,赵考重.建筑结构鉴定与加固改造技术的进展[J].工程力学,2011,28(01):1-11,25.

[2]夏岚.我国古建筑保护的意义及措施分析[J].遗产与保护研究,2016,1(06):78-80.

[3]李昊翼,陈际洲,史睿超.古代木结构建筑修复中的新型材料应用研究[J].科协论坛(下半月),2012(12):5-6.

[4]张为民.桥梁结构裂缝分析及碳纤维加固技术[J].太原城市职业技术学院学报,2018(03):187-189.

[5]孙志恒,董晓农,郝巨涛,等.PCCP内壁复式碳纤维加固技术及应力计算分析[J].水利水电技术,2018,49(07):88-93.

作者:徐瑛瑛 单位:南京医科大学第二附属医院

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