中華五千年歷史源遠(yuǎn)流長,是一部文化的發(fā)展史,更是中國建筑的發(fā)展史。作為古建筑中重要組成部分的木結(jié)構(gòu)建筑,以其獨特的特點和良好的使用性,從古至今一直為我國及東南亞等國家喜愛,在人民的生活生產(chǎn)中發(fā)揮了不可替代的作用。
但是在外部環(huán)境作用,眾多木建筑千百年來在地震、大風(fēng)、火災(zāi)、雷電和人為因素的作用下,發(fā)生變形破損甚至坍塌。故對木結(jié)構(gòu)建筑進行修復(fù)加固意義重大,造福子孫后代。在維護建筑的使用性能的同時,能更好的恢復(fù)其文化底蘊,是木結(jié)構(gòu)修復(fù)的主要目的。
《古建筑木結(jié)構(gòu)維護與加固技術(shù)規(guī)范》GB50165-92中規(guī)定:古建筑的修復(fù)與加固,必須遵守不改變文物原狀的原則。同時在維修古建筑時,應(yīng)保存原來的建筑形式、原來的建筑結(jié)構(gòu)、原來的建筑材料以及原來的工藝技術(shù)等原則,即不改變原建筑風(fēng)貌下,維護加固木結(jié)構(gòu)建筑。相比較傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)而言,現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)有其獨特的優(yōu)點和更大的發(fā)展空間。
對于特大或稀有木種和木結(jié)構(gòu)文物古跡,在木結(jié)構(gòu)的修復(fù)過程中不可能大面積用新材替代,所以對木構(gòu)件破損部位進行部分修復(fù)和加強木構(gòu)件節(jié)點是現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)修復(fù)的主要方面。同時隨著材料科學(xué)的發(fā)展,新型修復(fù)材料的引入,在保證木建筑原貌的前提下,提高了修復(fù)后木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性能和使用壽命,目前大量應(yīng)用于實際工程中木結(jié)構(gòu)修復(fù)的新型材料有:碳纖維增強材料、玻璃纖維增強材料、玄武巖纖維和化學(xué)加固等,以下對不同材料的性能和優(yōu)點進行分析。
碳纖維材料具有很好的力學(xué)性能,其比強度約為HRB400鋼材的20倍到50倍,所以碳纖維材料大大的減輕了其自重對結(jié)構(gòu)的不利影響,當(dāng)與木結(jié)構(gòu)共同作用下,可以大大提高木結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。并且基于碳纖維具有良好的耐腐蝕性能,在現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)修復(fù)中被大量采用。
碳纖維材料在實際工程中多以碳纖維布的形式應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)修復(fù)加固中,將需要修復(fù)加固的木結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面清潔處理后,涂刷基底樹脂,然后將碳纖維布黏貼在木構(gòu)件表面并用輥子擠壓密實,趕出氣泡,經(jīng)處理后的木結(jié)構(gòu)構(gòu)件如下圖所示。同時在實際工程中考慮構(gòu)件修復(fù)加固后的耐久性問題,必須在經(jīng)修復(fù)加固后的纖維布外表面涂刷防護層。
玻璃纖維增強材料(GFRP)的力學(xué)性能及施工方法類似于碳纖維增強材料(CFRP),由前面論述可知,CFRP力學(xué)性能好,強度高,并具有良好的耐腐蝕性能,但由于其約束矩形截面柱時,其強度往往不能充分發(fā)揮,造成不必要的浪費,從經(jīng)濟角度考慮,在一定的實際工程中應(yīng)用玻璃纖維具有一定優(yōu)勢。將玻璃纖維布按照規(guī)定黏貼在木構(gòu)件表面修復(fù)受損的木構(gòu)件(其施工工藝流程與碳纖維布同),有效的提高木構(gòu)件修復(fù)后的力學(xué)性能和耐久性能,基于種種優(yōu)點,玻璃纖維增強材料廣泛的應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)修復(fù)加固中。
連續(xù)玄武巖纖維(CBF)是一種新型無機纖維材料,不僅具有良好的力學(xué)性能、耐酸堿腐蝕性,而且具有幾何可塑性大,輕薄易剪切等特點。經(jīng)玄武巖纖維布(BFS)處理后的木結(jié)構(gòu)構(gòu)件不影響木結(jié)構(gòu)原來外觀,施工操作簡便,對原結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞小,目前已廣泛用于木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的修復(fù)加固中。
玄武巖纖維布的施工程序為:在黏貼纖維復(fù)合材料以前,對木構(gòu)件表面進行表面處理,并且找平表面,使其不能有明顯的凹凸痕跡;然后黏貼纖維布,并順纖維受力方向擠出氣泡,同時為避免有害物質(zhì)的侵入造成木構(gòu)件的破壞延長使用壽命,需在最后一層纖維布表面上涂抹樹脂。
木構(gòu)件黏貼BFS加固木構(gòu)件是利用其良好的力學(xué)性能,可以提高對木構(gòu)件側(cè)向的約束。玄武巖纖維布(BFS)加固木構(gòu)件的方式如圖3所示,分為連續(xù)黏貼和分段黏貼。加固按施加側(cè)壓力的不同,分為被動加固法和主動加固法兩種。被動加固法是直接用環(huán)氧樹脂BFS布帶連續(xù)纏繞黏貼在木構(gòu)件上;主動加固法是事先將預(yù)制好的BFS套在木構(gòu)件上,將BFS和柱子之間的空隙用高壓注入環(huán)氧樹脂漿,以大袋主動施加柱子側(cè)壓力的效果。
木材屬于天然材料,容易在分潮濕環(huán)境下發(fā)生腐敗,同時也因內(nèi)部蟲蛀形成中空部分。這種情況下,可根據(jù)實際情況,去除木構(gòu)件破壞部分后,選擇化學(xué)試劑(多采用不飽和聚樹脂)灌注加固。隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的發(fā)展,配合使用超聲波等精密儀器,可以檢測出不易用肉眼發(fā)覺的木材損傷部分,更全面準(zhǔn)確的對其進行化學(xué)加固修復(fù)。
經(jīng)化學(xué)修復(fù)加固后的木結(jié)構(gòu)構(gòu)件,外部狀態(tài)較原貌差別不大,并具有良好的耐腐蝕性能,大大提高木建筑的使用年限。徐州戲馬臺建筑群之一的風(fēng)云閣的木柱經(jīng)化學(xué)加固處理后,經(jīng)過10年仍然沒有發(fā)現(xiàn)問題,說明現(xiàn)代化學(xué)加固方法在木結(jié)構(gòu)建筑中具有良好的效果。
木材作為生物材料,在自然環(huán)境及人為因素作用下,易發(fā)生變形、腐蝕甚至破壞,故對古代木結(jié)構(gòu)建筑進行科學(xué)的修復(fù)和保護具有重要的意義。目前我國大量的古代木結(jié)構(gòu)建筑急需加固維護,從業(yè)人員人數(shù)嚴(yán)重不足、技術(shù)水平參差不齊,都是阻礙木結(jié)構(gòu)修復(fù)技術(shù)發(fā)展的主要原因。
隨著科學(xué)技術(shù)水平及材料科學(xué)的發(fā)展,未來將會有更多的新型材料應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)建筑的修復(fù)中,從業(yè)人員的技術(shù)水平也講有很大程度的提高,施工工藝將會更方便快,這些都將對我國廣闊的木結(jié)構(gòu)修復(fù)市場產(chǎn)生的巨大的影響。