牌楼断裂构件的连接加固

时间：2024-07-28

黄立敏，孙昭

(1.陕西省人民政府机关事务管理局机关新城服务中心，陕西西安 710001;2.陕西省人民政府机关事务管理局房屋修建处，陕西西安 710011)

牌楼也叫做“坊”或“牌坊”。牌楼“似门非门，非门亦门”，是我们十分熟悉的一种标志性、装饰性、纪念性很强古代建筑。在古代，几乎每个都市街道的出口、入口，主要街道的十字街头，名胜景区的入口处，以及苑囿、寺观、陵墓、离宫的前面，都以牌楼作为建筑群的标志［1］。

牌楼大致由基础、立柱、额枋、匾额、檐楼等构成，这些构件的连接处通过卯榫衔接［2］。

有些牌楼几经地震作用，同时还经历几百年的风雨侵蚀，出现了不同程度的损坏，如:构件断裂破坏、整体倾斜、风化破坏等，而以构件断裂破坏尤为突出。因此，对出现不同程度破坏的牌楼予以加固已十分必要。

1 牌楼加固的基本要求

对砖石结构牌楼进行加固，应满足下列要求。

(1)加固方案不得改变原来的受力体系。

(2)对原来结构和构造的固有缺陷，如对结构稳定性确有严重影响，宜采取有效措施予以消除，对所增设连接件宜设法加以隐蔽。

(3)对因断裂而丧失承载力的横向构件，当其文物价值较高而必须保留时，可采用植筋、环氧粘接等技术予以加固，也可另加支柱支撑，但另加的支柱应能易于识别。

(4)加固所用材料的耐久性，不应低于原有结构材料的耐久性。

2 断裂构件连接加固方法

石牌楼上部结构及构件都是许多小石构件组装而成的，极易发生断裂。固定断裂石材可采用下列两种方式:

(1)粘接。所谓粘结是指把同种类型或不同种类型的材料通过物体表面上的物理化学过程把两部分构件连接在一起的过程。粘接包括一般粘接、裂隙灌浆和表面加固。粘接技术除了具有简便、快捷、高效等优点之外，还可以连接一些其他连接方式无法连接的材料和构件，如实现金属与非金属的连接等，并能在一些情况下代替焊接、铆接、机械连接［3］。粘接技术的应用条件选择范围宽，可以不改变文物的现状与性质。从小件石雕艺术品到大型的石窟寺、建筑遗址，粘接方法都有广泛的应用。粘接加固是加强文物建筑微结构之间的接合，以及在损坏面和完好面之间的粘合，增加物体的机械强度。粘结的强度、抗老化程度与粘结材料的配合比，构件断面的净化程度有直接关系，因此在粘结加固之前要将构件断面清洗干净。此外，加固剂必须均匀渗透到岩石孔隙内。对断裂石质构件进行粘接修复，要使用与石材性能相适应的胶粘剂，一般要求倾覆力＜粘接强度＜接头强度＜石材内聚力［4］。石材性能好，可以选用强度高的胶粘剂;石材的性能差，选用高强度胶粘剂会发生粘附破坏，选用低强度胶粘剂则无法达到良好的胶粘效果，此时就需要借助其他的方法来固定石材。粘接修复前，需通过实验对石质文物建筑和胶粘剂进行测试和对比，然后再确定胶粘剂的种类和修复的方法。

(2)借助辅助构件、利用机械作用力将分离的石质固定在一起的机械固定法。一般可采用植筋加固和碳纤维布加固。

植筋加固技术是一项针对混凝土结构、砖石结构的简捷、有效连接与锚固技术;可植入普通钢筋，也可植入螺纹钢筋，现已广泛应用于建筑物的加固改造工程，它是对工程中没有预埋钢筋的一种有效补救措施。植筋加固可将断裂构件的各个部位连接成一个整体，增强其整体稳定性。这种方法多用于被粘接部分厚重的石材的修复，尤其是结构失稳的情形。文物建筑的保护中还使用了护壁、挡墙、喷锚、锚固等技术。目前最常用的加固方法就是对石材进行植筋，使其连成一个整体，增强其结构的整体稳定性。

碳纤维加固包括碳纤维布加固和碳纤维板加固两种。碳纤维材料用于混凝土结构加固修补的研究始于20 世纪80年代美、日等发达国家，我国的这项技术起步很晚。随着我国经济建设和交通事业的飞速发展，现有建筑中有相当一部分由于当时设计荷载标准低造成历史遗留问题，一些建筑由于使用功能的改变，难以满足当前规范使用的需求，亟需进行维修、加固。目前常用的加固方法有很多，如:加大截面法、外包钢加固法、粘钢加固法、碳纤维加固法等。碳纤维加固修补结构技术是继加大混凝土截面、粘钢之后的又一种新型的结构加固技术。

3 注意事项

(1)断裂石构件加固材料要采用当地与原构件石材相似或者相当的石材，根据原构件所遗留下来的信息进行选材加工，要尽可能做到修旧如旧，再用粘接材料进行粘接。

(2)加固构件前，将所有的原构件的裂缝、倾斜、树木根系清除，待缺失构件补齐等工作做完之后，对构件重新组装，在结构上要对其进行加固。

(3)像连接断裂石材这类补全修复要在充分调查历史资料的基础上进行。在形式上不能有超出原状的立意和创新。

(4)石质文物建筑的补全材料，要求能够满足石质文物建筑的稳定条件，并且具有相对的稳定性和耐久性，对原始材料无损害。

4 工程实例

西岳庙坐落在华山以北5 km 的华阴市城郊岳庙镇，与西岳华山遥相呼应。西岳庙总占地面积121800 m2，是陕西省现存比较完整的且是最大的古建筑群，1988年被列入全国重点文物保护单位。西岳庙内现存三座石牌楼，分别是棂星门与金城门之间为“天威咫尺”，后宰门与御书楼之间为“少昊之都”，御书楼与万寿阁之间为“蓐收之府”。三座石牌楼石质、形制、雕刻工艺相同，同属清朝时期建造。牌楼主要构件之间为石质榫卯结构。屋顶为整石雕刻而成，主楼屋顶由六块拼合而成，次楼均用四块拼合而成。大额枋下横题“少昊之都”，故名“少昊之都”。

4.1 主要病害及分析

4.1.1 自然灾害造成的破坏

“少昊之都”石牌楼，历经数百年的风雨岁月，经历了多次地震等自然灾害的破坏，尤其是在1998年大风中，由于牌楼侧旁大树被风吹倒，牌楼被大树撞击，造成严重损坏，见图1 所示。其主要破坏状况为:

(1)屋顶局部塌落，掉落约2/5 屋面，西侧楼屋面所剩无几。

(2)主楼大额枋与小额枋均已断裂，丧失作为结构构件的承力功能。

图1 牌楼破坏状况

4.2 结构承力构件加固

4.2.1 石牌楼大额枋加固

石牌楼大额枋以CFRP 技术补强，加固材料采用Sika CarboDur S612 板材及Sikadur－30 胶粘剂。贴片前应对构件表面进行必要的处理，仔细清除破损、劣化部分，修补裂缝、削平凸出部位和棱角等，使碳纤维板粘贴后与构件牢固紧密结合，充分发挥其补强作用。粘贴碳纤维片后，需自然养护24 h 达到初期固化，应保证固化期间不受干扰。

4.2.2 石牌楼小额枋加固

小额枋以HRB 400－20 配以Sikadur－30 粘结加固胶予以补强加固。其工艺流程见图2。

图2 植筋加固工艺流程

(1)钻孔。根据设计好的图纸，在小额枋的相应位置钻孔，钻孔直径比钢筋直径大5 mm 左右。

(2)清理灰尘。清理灰尘是植筋中最重要的一个环节，因为孔钻完后内部会有很多灰尘、碎渣，这将直接影响植筋的质量。因此，将孔内杂物清理干净是保证植筋质量的前提。其方法是:用防脱毛毛刷伸至孔底把灰尘、碎渣带出，再用压缩空气吹出孔内浮尘，吹完后再用脱脂棉蘸上酒精擦洗空内壁，以保证孔的清洁。钻孔清洗完后要求相关单位验收，验收合格后方可注胶。

(3)注胶。将Sikadur－30 粘结加固胶装入套筒，安置在专用的手动注射器上进行注胶。为了使钢筋植入后孔内胶液饱满，又不能使胶液外流，孔内胶液达80%即可，孔内注满胶后应立即植筋。

(4)植筋。U 形钢筋平段的长度250 mm，断裂位置居水平段长度的中央;竖直段长度100 mm，植入石材的深度80 mm。植筋孔直径30 mm，植筋孔位于小额枋厚度中央竖直向上。U 形钢筋水平段与石材之间以硬木衬垫。

(5)固化。钢筋植入后在Sikadur－30 粘结加固胶完全固化前不能振动钢筋，Sikadur－30 粘结加固胶在常温下就可完成固化，按说明书上指定的固化时间待其固化完成后便可进入下一道施工工序。

4.2.3 注意事项

(1)Sikadur－30 粘结加固胶完全固化后为无毒材料，但未固化前，个别组分对眼睛、皮肤有刺激性，而且固化后也不容易清除，所以施工人员要注意适当的劳动保护，如配备工作服、手套等。人体直接接触后应立即清水冲洗干净。

(2)注意天气变化，植筋开始前要查看天气预报，要确保在植筋施工期间天气状况良好，不能在阴雨天气施工。