徽州传统建筑木柱修缮方法及其数值分析

顾迅杰 ，程马亮 ，孙　强

徽州传统建筑木柱修缮方法及其数值分析

顾迅杰 ，程马亮 ，孙强

（安徽建筑大学土木工程学院，合肥，230601）

徽州传统建筑以木结构为主，其中木柱作为重要的支撑构件，其性能对结构整体稳定性有着重要影响，但由于年久失修，均产生了不同程度的损坏，迫切需要进行相关的修缮加固。文章通过对徽州传统建筑中木柱的研究，系统的阐述了其破坏形式及相关的修缮加固方法，并以木料墩接中的“巴掌榫”为对象，采用有限元方法进行数值分析与验证，研究结果表明：巴掌榫在沿榫面垂直的方向变形最大，在加固时用两根铁箍的效果远好于一根铁箍。研究结果为今后徽州传统建筑木柱的修缮与保护提供一定的参考。关键词：徽州传统建筑，木柱，修缮加固，巴掌榫，数值分析

0　引 言

徽州传统建筑是我国古建筑宝库中的一朵奇葩，它具有丰富的艺术价值和历史价值，但是经历了几百年的风雨洗礼，很多古民居都出现了不同程度的破损，对它们的保护刻不容缓。在徽州传统建筑中，由于柱子是结构中受力最大的，经常会发现建筑中梁枋等构件保存比较完好但柱的破坏却非常严重的现象[1]，违背了现代结构设计“强柱弱梁、强剪弱弯”的原则，由此可见柱子在结构中的重要性。为了更好的保护徽州传统建筑，首先要了解相关的破坏形式，然后针对具体的破坏提出合适的修缮加固方法。

徽州传统建筑中柱子的破坏形式多种多样，而且针对不同形式的破坏，有着不同的修缮加固方法。根据参考文献[1][2]提供的资料，目前对木结构加固修复研究有较完整的介绍，但是针对徽州传统建筑木构件的研究较缺乏，而且此前的研究主要集中在数值计算和实验分析，缺乏较为可靠的计算机数值模拟分析。本文首先对目前广泛应用的传统与现代技术的修缮加固方法行了一个较为系统的介绍，然后通过对传统修缮加固方法中的巴掌榫修缮方法进行有限元对比分析，得出了较为可靠的结论，为木结构修缮加固的安全性提供了一个坚实的理论基础。

1　徽州传统建筑木柱的破坏形式

徽州传统建筑木柱由于常年受荷且经历了风雪的侵蚀，材料的各项性能均发生较大的变化，因而在不同部位产生了多种不同形式的破坏，其中主要有开裂、糟朽、虫蛀以及整体倾斜破坏等[2]。

柱的开裂是沿木材的顺纹方向，即沿柱高方向分布。由于木材各部位收缩程度不同，且木柱长时间受荷令材料性能发生降低，因此产生了裂缝。裂缝的存在，容易造成柱的槽朽破坏以及虫蛀，从而造成柱子的进一步破坏。

柱的糟朽主要发生在根部，由于柱子根部与基础相连，使得地面的水分很容易进入，天长日久即产生了糟朽。

柱的虫蛀主要发生在糟朽或开裂的部位。在这些部位，潮气比较容易进入并引起进一步的糟朽，使得木质变得比较疏松，更加适宜甲虫及白蚁的生存。

柱的整体倾斜，主要是因为建筑年久失修，梁、枋发生糟朽、腐蚀、虫蛀等令柱与梁的联系变弱，使得框架整体刚度降低，从而引起柱的整体倾斜。

2 徽州传统建筑木柱的修缮加固方法

2.1传统的修缮加固方法

2.1.1柱倾斜临时加固

当发生柱脚腐朽时，柱子容易产生倾斜，此时即可先将柱子打牮拨正进行临时加固，然后将腐朽部位去除后进行墩接，墩接好后进行柱子归正[3]。

2.1.2柱裂缝加固

裂缝（如图1）是柱子破坏的通病，对于由于木材干缩或劈裂产生的裂缝，可根据裂缝的宽度采用下列方法嵌补加固：

①若裂缝的宽度较小，可将原树种锯成粉末后再与环氧树脂混合调成腻子填充其中。

②若裂缝的宽度较大，可先用木条和胶水进行嵌补，同时再加上铁箍。

2.1.3柱剔补加固

当柱表面产生腐朽时，可采用局部剔补（如图2）的方法，将腐朽部分去除，用新木进行替换。对于剔补面积比较大的部位，还应用铁钉加固[4]。

图1　柱裂缝加固

图2　剔补加固

2.1.4柱墩接加固

若柱底损坏的截面不大于柱断面面积的1/3或柱脚糟朽十分严重，但是损坏或者糟朽长度在一定范围内时，可采用墩接柱脚的方法进行加固修复。根据墩接的材料不同，常见有几下几种方法：

①木料墩接：主要有巴掌榫（如图3）和抄手榫（如图4）两种方法。

②石料墩接：当柱脚长时间处于潮湿的环境且腐朽高度较低时，可采用石料墩接。

③混凝土墩接：一般墙内或水池边上的木柱采用混凝土墩接。

图4　抄手榫

2.1.5植入法加固

若柱的外表保护较好，但内部已经产生髓心腐朽，可将腐朽部分挖出，然后制作腐朽部分尺寸相同的小木柱，植入到木柱中进行加固。此方法能最大限的保存原有的构件，对历史文物的保护有重要意义。

2.1.6化学加固

若木柱的外表完好，但内部已部分腐朽，可选用化学加固法。先清除腐木进行白蚁防治后用化学胶结材料浇筑加固。

2.2现代技术修缮加固方法

随着建筑材料的发展，一些新型材料逐渐被用于古建筑的保护中，现在运用比较广泛的是碳纤维复合材料（CFRP）[5~8]。碳纤维复合材料作为一种新型材料，具有强度大、弹性模量高、耐腐蚀性强、可设计性好等优点，近年来在土木工程中的应用越来越广泛。

碳纤维复合材料在木结构的修缮加固中通常使用的是碳纤维布加固方法。在用碳纤维布加固时，首先要对构件的表面进行处理，涂刷基层树脂，根据图纸标注的位置，弹线标注，调配基层树脂进行涂刷；然后进行裁剪，在裁剪的过程中要保证碳纤维布不受污染；随后根据之前绘制位置进行粘贴，粘贴完毕后，应立即养护；养护完成后，在碳纤维表面涂上树脂和防火层，保护碳纤维布。

在工程中应用碳纤维加固，可以很好的保护古建筑，能明显的增强结构构件的力学性能，增加建筑的使用寿命，而且还不用破坏原有的结构，尽可能的保护原有的风貌，有着很好的经济和文化效益。

3　巴掌榫数值模拟分析

巴掌榫是徽派建筑传统修缮方法中的一种，但是其往往都是总结前人的经验，安全性无法得到准确的计算。为了验证巴掌榫的可靠性，下文用有限元分析软件对木料墩接中的巴掌榫方法进行数值分析。

3.1 有限元模型建立

本实例的计算模型采用圆柱形，圆柱的高5 m，直径200 mm，柱底角腐朽，替换成新木，新木的高为500 mm，采用巴掌榫连接，榫长为500 mm；铁箍的厚度采用2 mm，宽为50 mm，模型采用两种不同加固方法进行对比分析，一种是在榫中间加固一根铁箍，另一种在榫头分别加固一根铁箍（如图5）。

图 5 模型示意图

关于材料单元选取时，木柱选的实体单元是SOLID45，该单元八个节点，每个节点可以向x、y、z三个方向的自由度平移，具有膨胀、塑性、应力变化强等优点；铁箍采用SOLID187实体单元，该单元是包含十个节点，并且具有三维高阶，而且节点还具有三个自由度方向，同时它还拥有弹性、塑性、蠕变、大变形等特性。

对于模型采用的材料参数，通过查阅文献和参考《木结构设计规范》[9，10]中的相关规定，将参数列于下表1。

表1　木材参数

3.2有限元模型分析

本文采取两种不同的方案加固榫头，在有限元建模时，对新旧木材划分单元格时候，新木材的单元格划的相对细一点，旧木材划分粗一点，在榫头部位划分更细一点。

在定义荷载时，对两个模型分别同时施加荷载0.5 N/mm²，1.0 N/mm²，1.5 N/mm²，然后对比分析两种不同的模型。

通过分析不同模型在不同荷载情况下各个方向的位移云图可得表2。

表2　两模型分别在各个荷载及方向上的最大位移（负数为相反方向）

由表2可知，当在相同荷载的时候，加一根铁箍的模型位移偏移明显大于加两根铁箍的位移偏移。模型在X方向的位移明显比Y方向的位移大，而且更接近于模型整体的位移，而X方向刚好垂直于榫头连接面，Y方向受到铁箍的约束位移很小，因此巴掌榫的位移破坏主要沿着垂直于连接面。同时，当对两个模型施加不同的荷载时，发现两个模型的整体位移也成线性变化。

图6　模型一和模型二在荷载1.0 N/mm2时X方向应力云图

图8 模型一和模型二在荷载1.0 N/mm2时Z方向应力云图

图6、图7、图8分别表示两种模型在荷载1.0 N/mm²时X、Y、Z三个方向的应力云图，

由以上的三图可以总结得出如表3数据。

表3　在荷载1.0N/mm2不同方向最大应力

由表3可知，在同种模型下，X方向上的应力最大，在Y方向应力最小，两种模型对比后可以发现，加一根铁箍的应力明显大于两根铁箍的应力，可见两根铁箍加固是更有效的。通过之前的位移分析，一根铁箍在X方向位移最大，这样在相同荷载时，就会增加它的应力，这时候添加一根铁箍，限制了它的位移，减少了应力，增加了结构安全性，因此这种加固方案是更加可靠的[11]。

4　结论

本文以徽州传统建筑结构中的受压构件木柱为例，较为系统的归纳总结了木柱的传统和现代加固修缮方法，并且以巴掌榫为例，采用有限元进行了数值分析。由文章内容可以得出如下相关结论：

（1）徽州传统建筑木柱的修缮加固，需要对多方面因素，如破坏位置、破坏范围等进行综合考虑分析，找出最优的方法；

（2）徽州传统建筑木柱的修缮加固可以将传统与现代的方法有机的结合，更加有利于古建筑的保护和利用；

（3）巴掌榫作为传统修缮加固方法，满足木结构的力学要求；

（4）使用巴掌榫对木柱修缮加固后，通过数值分析表明巴掌榫发生破坏的位移最大的位置是沿着榫面的垂直方向，且在加固时两根铁箍相比一根铁箍大大减小了位移和应力，即效果更为显著。

[1]马炳坚.中国古建筑的构造特点、损毁规律及保护修缮方法（下）[J].古建园林技术,2006(4):52-56.

[2]方东平,俞茂毓,宫本裕,等.木结构古建筑结构特性的计算研究[J].工程力学, 2001, 18(1):137-144.

[3]李彦博.中国木结构古建筑的加固维护方法[J].甘肃科技,2012,28(6):121-122.

[4]周乾,闫维明.铁件加固技术在古建筑木结构中应用研究[J].水利与建筑工程学报，2011,9(1):1-5+61.

[5]吴照华.碳纤维布加固古建筑木梁的性能研究[D].陕西:西安建筑科技大学,2007.

[6]潘闪.碳纤维加固技术在木结构柱中的作用[J].施工技术,2012,38(36),94-95.

[7]Gilfillan J,Gilbert S,Patrick G. The use of FRP composites in Enhancing the Structural Behavior of Timber Beams[J].Journal of Reinforced Plastic and Compo-sites ,2003(22):1373-1388.

[8]Yail J Kim,Mozahid Hossain,Kent A Harries.CFRP strengthening of timber beams recovered from a 32 year old quonset: Element and System level testa[J].Engineering structures ,2013,57:213-221.

[9]中国建筑西南设计研究院,四川省建筑科学研究院. GB 50005—2003木结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2003:1-20.

[10]潘景龙,祝恩淳.木结构设计原理[M].北京:中国建筑工业出版社,2009:7-24.

[11]中国林业科学研究院木材工业研究所.GB/T 13942.2-2009 木材天然耐久性试验方法[S].北京:中国标准出版社,2009.

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”国家科技支撑计划项目子课题（2012BAJ08B02）

顾迅杰（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向为钢结构。