徽州傳統(tǒng)建筑木柱修繕?lè)椒捌鋽?shù)值分析

顧迅杰 ，程馬亮 ，孫　強(qiáng)

徽州傳統(tǒng)建筑木柱修繕?lè)椒捌鋽?shù)值分析

顧迅杰 ，程馬亮 ，孫強(qiáng)

（安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，合肥，230601）

徽州傳統(tǒng)建筑以木結(jié)構(gòu)為主，其中木柱作為重要的支撐構(gòu)件，其性能對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性有著重要影響，但由于年久失修，均產(chǎn)生了不同程度的損壞，迫切需要進(jìn)行相關(guān)的修繕加固。文章通過(guò)對(duì)徽州傳統(tǒng)建筑中木柱的研究，系統(tǒng)的闡述了其破壞形式及相關(guān)的修繕加固方法，并以木料墩接中的“巴掌榫”為對(duì)象，采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值分析與驗(yàn)證，研究結(jié)果表明：巴掌榫在沿榫面垂直的方向變形最大，在加固時(shí)用兩根鐵箍的效果遠(yuǎn)好于一根鐵箍。研究結(jié)果為今后徽州傳統(tǒng)建筑木柱的修繕與保護(hù)提供一定的參考。關(guān)鍵詞：徽州傳統(tǒng)建筑，木柱，修繕加固，巴掌榫，數(shù)值分析

0　引 言

徽州傳統(tǒng)建筑是我國(guó)古建筑寶庫(kù)中的一朵奇葩，它具有豐富的藝術(shù)價(jià)值和歷史價(jià)值，但是經(jīng)歷了幾百年的風(fēng)雨洗禮，很多古民居都出現(xiàn)了不同程度的破損，對(duì)它們的保護(hù)刻不容緩。在徽州傳統(tǒng)建筑中，由于柱子是結(jié)構(gòu)中受力最大的，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)建筑中梁枋等構(gòu)件保存比較完好但柱的破壞卻非常嚴(yán)重的現(xiàn)象[1]，違背了現(xiàn)代結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎”的原則，由此可見(jiàn)柱子在結(jié)構(gòu)中的重要性。為了更好的保護(hù)徽州傳統(tǒng)建筑，首先要了解相關(guān)的破壞形式，然后針對(duì)具體的破壞提出合適的修繕加固方法。

徽州傳統(tǒng)建筑中柱子的破壞形式多種多樣，而且針對(duì)不同形式的破壞，有著不同的修繕加固方法。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1][2]提供的資料，目前對(duì)木結(jié)構(gòu)加固修復(fù)研究有較完整的介紹，但是針對(duì)徽州傳統(tǒng)建筑木構(gòu)件的研究較缺乏，而且此前的研究主要集中在數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析，缺乏較為可靠的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析。本文首先對(duì)目前廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)與現(xiàn)代技術(shù)的修繕加固方法行了一個(gè)較為系統(tǒng)的介紹，然后通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)修繕加固方法中的巴掌榫修繕?lè)椒ㄟM(jìn)行有限元對(duì)比分析，得出了較為可靠的結(jié)論，為木結(jié)構(gòu)修繕加固的安全性提供了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1　徽州傳統(tǒng)建筑木柱的破壞形式

徽州傳統(tǒng)建筑木柱由于常年受荷且經(jīng)歷了風(fēng)雪的侵蝕，材料的各項(xiàng)性能均發(fā)生較大的變化，因而在不同部位產(chǎn)生了多種不同形式的破壞，其中主要有開(kāi)裂、糟朽、蟲(chóng)蛀以及整體傾斜破壞等[2]。

柱的開(kāi)裂是沿木材的順紋方向，即沿柱高方向分布。由于木材各部位收縮程度不同，且木柱長(zhǎng)時(shí)間受荷令材料性能發(fā)生降低，因此產(chǎn)生了裂縫。裂縫的存在，容易造成柱的槽朽破壞以及蟲(chóng)蛀，從而造成柱子的進(jìn)一步破壞。

柱的糟朽主要發(fā)生在根部，由于柱子根部與基礎(chǔ)相連，使得地面的水分很容易進(jìn)入，天長(zhǎng)日久即產(chǎn)生了糟朽。

柱的蟲(chóng)蛀主要發(fā)生在糟朽或開(kāi)裂的部位。在這些部位，潮氣比較容易進(jìn)入并引起進(jìn)一步的糟朽，使得木質(zhì)變得比較疏松，更加適宜甲蟲(chóng)及白蟻的生存。

柱的整體傾斜，主要是因?yàn)榻ㄖ昃檬蓿?、枋發(fā)生糟朽、腐蝕、蟲(chóng)蛀等令柱與梁的聯(lián)系變?nèi)?，使得框架整體剛度降低，從而引起柱的整體傾斜。

2 徽州傳統(tǒng)建筑木柱的修繕加固方法

2.1傳統(tǒng)的修繕加固方法

2.1.1柱傾斜臨時(shí)加固

當(dāng)發(fā)生柱腳腐朽時(shí)，柱子容易產(chǎn)生傾斜，此時(shí)即可先將柱子打牮撥正進(jìn)行臨時(shí)加固，然后將腐朽部位去除后進(jìn)行墩接，墩接好后進(jìn)行柱子歸正[3]。

2.1.2柱裂縫加固

裂縫（如圖1）是柱子破壞的通病，對(duì)于由于木材干縮或劈裂產(chǎn)生的裂縫，可根據(jù)裂縫的寬度采用下列方法嵌補(bǔ)加固：

①若裂縫的寬度較小，可將原樹(shù)種鋸成粉末后再與環(huán)氧樹(shù)脂混合調(diào)成膩?zhàn)犹畛淦渲小?/p>

②若裂縫的寬度較大，可先用木條和膠水進(jìn)行嵌補(bǔ)，同時(shí)再加上鐵箍。

2.1.3柱剔補(bǔ)加固

當(dāng)柱表面產(chǎn)生腐朽時(shí)，可采用局部剔補(bǔ)（如圖2）的方法，將腐朽部分去除，用新木進(jìn)行替換。對(duì)于剔補(bǔ)面積比較大的部位，還應(yīng)用鐵釘加固[4]。

圖1　柱裂縫加固

圖2　剔補(bǔ)加固

2.1.4柱墩接加固

若柱底損壞的截面不大于柱斷面面積的1/3或柱腳糟朽十分嚴(yán)重，但是損壞或者糟朽長(zhǎng)度在一定范圍內(nèi)時(shí)，可采用墩接柱腳的方法進(jìn)行加固修復(fù)。根據(jù)墩接的材料不同，常見(jiàn)有幾下幾種方法：

①木料墩接：主要有巴掌榫（如圖3）和抄手榫（如圖4）兩種方法。

②石料墩接：當(dāng)柱腳長(zhǎng)時(shí)間處于潮濕的環(huán)境且腐朽高度較低時(shí)，可采用石料墩接。

③混凝土墩接：一般墻內(nèi)或水池邊上的木柱采用混凝土墩接。

圖4　抄手榫

2.1.5植入法加固

若柱的外表保護(hù)較好，但內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生髓心腐朽，可將腐朽部分挖出，然后制作腐朽部分尺寸相同的小木柱，植入到木柱中進(jìn)行加固。此方法能最大限的保存原有的構(gòu)件，對(duì)歷史文物的保護(hù)有重要意義。

2.1.6化學(xué)加固

若木柱的外表完好，但內(nèi)部已部分腐朽，可選用化學(xué)加固法。先清除腐木進(jìn)行白蟻防治后用化學(xué)膠結(jié)材料澆筑加固。

2.2現(xiàn)代技術(shù)修繕加固方法

隨著建筑材料的發(fā)展，一些新型材料逐漸被用于古建筑的保護(hù)中，現(xiàn)在運(yùn)用比較廣泛的是碳纖維復(fù)合材料（CFRP）[5~8]。碳纖維復(fù)合材料作為一種新型材料，具有強(qiáng)度大、彈性模量高、耐腐蝕性強(qiáng)、可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在土木工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

碳纖維復(fù)合材料在木結(jié)構(gòu)的修繕加固中通常使用的是碳纖維布加固方法。在用碳纖維布加固時(shí)，首先要對(duì)構(gòu)件的表面進(jìn)行處理，涂刷基層樹(shù)脂，根據(jù)圖紙標(biāo)注的位置，彈線標(biāo)注，調(diào)配基層樹(shù)脂進(jìn)行涂刷；然后進(jìn)行裁剪，在裁剪的過(guò)程中要保證碳纖維布不受污染；隨后根據(jù)之前繪制位置進(jìn)行粘貼，粘貼完畢后，應(yīng)立即養(yǎng)護(hù)；養(yǎng)護(hù)完成后，在碳纖維表面涂上樹(shù)脂和防火層，保護(hù)碳纖維布。

在工程中應(yīng)用碳纖維加固，可以很好的保護(hù)古建筑，能明顯的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能，增加建筑的使用壽命，而且還不用破壞原有的結(jié)構(gòu)，盡可能的保護(hù)原有的風(fēng)貌，有著很好的經(jīng)濟(jì)和文化效益。

3　巴掌榫數(shù)值模擬分析

巴掌榫是徽派建筑傳統(tǒng)修繕?lè)椒ㄖ械囊环N，但是其往往都是總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)，安全性無(wú)法得到準(zhǔn)確的計(jì)算。為了驗(yàn)證巴掌榫的可靠性，下文用有限元分析軟件對(duì)木料墩接中的巴掌榫方法進(jìn)行數(shù)值分析。

3.1 有限元模型建立

本實(shí)例的計(jì)算模型采用圓柱形，圓柱的高5 m，直徑200 mm，柱底角腐朽，替換成新木，新木的高為500 mm，采用巴掌榫連接，榫長(zhǎng)為500 mm；鐵箍的厚度采用2 mm，寬為50 mm，模型采用兩種不同加固方法進(jìn)行對(duì)比分析，一種是在榫中間加固一根鐵箍，另一種在榫頭分別加固一根鐵箍（如圖5）。

圖 5 模型示意圖

關(guān)于材料單元選取時(shí)，木柱選的實(shí)體單元是SOLID45，該單元八個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以向x、y、z三個(gè)方向的自由度平移，具有膨脹、塑性、應(yīng)力變化強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；鐵箍采用SOLID187實(shí)體單元，該單元是包含十個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且具有三維高階，而且節(jié)點(diǎn)還具有三個(gè)自由度方向，同時(shí)它還擁有彈性、塑性、蠕變、大變形等特性。

對(duì)于模型采用的材料參數(shù)，通過(guò)查閱文獻(xiàn)和參考《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9，10]中的相關(guān)規(guī)定，將參數(shù)列于下表1。

表1　木材參數(shù)

3.2有限元模型分析

本文采取兩種不同的方案加固榫頭，在有限元建模時(shí)，對(duì)新舊木材劃分單元格時(shí)候，新木材的單元格劃的相對(duì)細(xì)一點(diǎn)，舊木材劃分粗一點(diǎn)，在榫頭部位劃分更細(xì)一點(diǎn)。

在定義荷載時(shí)，對(duì)兩個(gè)模型分別同時(shí)施加荷載0.5 N/mm2，1.0 N/mm2，1.5 N/mm2，然后對(duì)比分析兩種不同的模型。

通過(guò)分析不同模型在不同荷載情況下各個(gè)方向的位移云圖可得表2。

表2　兩模型分別在各個(gè)荷載及方向上的最大位移（負(fù)數(shù)為相反方向）

由表2可知，當(dāng)在相同荷載的時(shí)候，加一根鐵箍的模型位移偏移明顯大于加兩根鐵箍的位移偏移。模型在X方向的位移明顯比Y方向的位移大，而且更接近于模型整體的位移，而X方向剛好垂直于榫頭連接面，Y方向受到鐵箍的約束位移很小，因此巴掌榫的位移破壞主要沿著垂直于連接面。同時(shí)，當(dāng)對(duì)兩個(gè)模型施加不同的荷載時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)模型的整體位移也成線性變化。

圖6　模型一和模型二在荷載1.0 N/mm2時(shí)X方向應(yīng)力云圖

圖8 模型一和模型二在荷載1.0 N/mm2時(shí)Z方向應(yīng)力云圖

圖6、圖7、圖8分別表示兩種模型在荷載1.0 N/mm2時(shí)X、Y、Z三個(gè)方向的應(yīng)力云圖，

由以上的三圖可以總結(jié)得出如表3數(shù)據(jù)。

表3　在荷載1.0N/mm2不同方向最大應(yīng)力

由表3可知，在同種模型下，X方向上的應(yīng)力最大，在Y方向應(yīng)力最小，兩種模型對(duì)比后可以發(fā)現(xiàn)，加一根鐵箍的應(yīng)力明顯大于兩根鐵箍的應(yīng)力，可見(jiàn)兩根鐵箍加固是更有效的。通過(guò)之前的位移分析，一根鐵箍在X方向位移最大，這樣在相同荷載時(shí)，就會(huì)增加它的應(yīng)力，這時(shí)候添加一根鐵箍，限制了它的位移，減少了應(yīng)力，增加了結(jié)構(gòu)安全性，因此這種加固方案是更加可靠的[11]。

4　結(jié)論

本文以徽州傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)中的受壓構(gòu)件木柱為例，較為系統(tǒng)的歸納總結(jié)了木柱的傳統(tǒng)和現(xiàn)代加固修繕?lè)椒?，并且以巴掌榫為例，采用有限元進(jìn)行了數(shù)值分析。由文章內(nèi)容可以得出如下相關(guān)結(jié)論：

（1）徽州傳統(tǒng)建筑木柱的修繕加固，需要對(duì)多方面因素，如破壞位置、破壞范圍等進(jìn)行綜合考慮分析，找出最優(yōu)的方法；

（2）徽州傳統(tǒng)建筑木柱的修繕加固可以將傳統(tǒng)與現(xiàn)代的方法有機(jī)的結(jié)合，更加有利于古建筑的保護(hù)和利用；

（3）巴掌榫作為傳統(tǒng)修繕加固方法，滿足木結(jié)構(gòu)的力學(xué)要求；

（4）使用巴掌榫對(duì)木柱修繕加固后，通過(guò)數(shù)值分析表明巴掌榫發(fā)生破壞的位移最大的位置是沿著榫面的垂直方向，且在加固時(shí)兩根鐵箍相比一根鐵箍大大減小了位移和應(yīng)力，即效果更為顯著。

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Repair Methods and Analysis of Poles of Huizhou Traditional Architecture

GU Xunjie, CHENG Maliang, SUN Qiang
(School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University , Hefei , 230601,China)

Wooden structure is the main form of the Huizhou Traditional architecture. As an important member of the supporting parts, the poles, and theirperformance has a significant impact on the overall stability of the structure. However, due to disrepair, they havebeen damaged to various degrees, and there is an urgent need for related repair and reinforcement. Basing on research of the poles of Huizhou architecture, this paper elaborated the damage as well as methods for reinforcement of the poles With the "slap tongue" are the object, this paper adopts finite element software for numerical analysis and verification. The result shows that the damage of slap tongue along the vertical surface displacement gets to the maximum point, and when the poles are reinforced with two hoop, the effect is much better than with one hoop. The result provides a reference for restoration and protection of poles in Huizhou traditional architecture in the future.

Huizhou traditional architecture; poles; repair and reinforcement; slap tongue; numerical analysis.

TU366

A

2095-8382(2016)03-045-05

10.11921/j.issn.2095-8382.20160310

2015-10-12

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目子課題（2012BAJ08B02）

顧迅杰（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)。