徽州传统建筑木梁修缮方法及其数值分析

杨 健，孙 强，于鑫鑫

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

徽州传统建筑拥有深厚的文化内涵和鲜明的地方特征，古村落民居作为“徽州三绝”之一，在中国传统民居风格中更是独树一帜。国内外专家和学者对古建筑木结构进行了相关研究。谢启芳[1]通过对矩形木梁的静力试验，对碳纤维布加固木梁的抗弯性能,包括破坏特征及挠度等性能进行了研究。宋晓滨等[2]进行了带纵缝木梁足尺试件弯曲加载试验，验证木梁纵缝长度和位置等参数对木梁承载力都会产生影响。李爱群等[3]针对木结构中裂缝、糟朽、拔榫滚动等典型损伤形式，分类综述中国传统木结构修复加固技术类型。

近年来,现代技术广泛应用于古建筑木结构的修缮加固。张风亮等[4]基于CFRP加固木结构残损节点的加固方式及破坏形态，对碳纤维布加固残损节点的受力性能进行分析，提出碳纤维布加固木结构残损节点的抗弯承载力计算公式。王懿鑫[5]对BFRP布加固足尺寸圆截面木梁抗弯性能进行研究，验证在原木梁受拉区粘贴BFRP可以有效地提高原木梁的极限承载力与变形能力。文献[6-7]中木梁内部由于蛀虫啃食，修缮时很难确定损伤位置，可以利用现代化检测仪器(如超声波)对木梁进行无损检测，待确定位置后进行化学加固方法修复。

综合文献研究内容可以看出，对徽州传统建筑木梁的修缮方法研究却很少提及。环境因素以及人为破坏等原因使得木梁产生不同程度的裂缝、糟朽破坏以及挠度变形等问题，通过对木梁常见修缮方法进行研究，并进行理论计算与数值分析结果对比，得出较为可靠的结论，为今后徽州传统建筑木梁的加固提供理论基础和技术参考。

1 徽州传统建筑木梁修缮方法

徽州传统建筑木构架的损坏形式主要包括木柱柱根和梁枋糟朽、脱榫现象、檩条弯垂、梁挠度变形、木构架整体倾斜等情况。究其原因主要是潮湿环境、虫蚁侵蚀、雨水侵害、年久失修以及人为破坏等。对于木构架重要组成部分的木梁来说，主要有以下3种常见损坏形式及其修缮方法。

1.1 木梁梁身裂缝修缮

木梁出现干缩裂缝或劈裂裂缝时，根据裂缝尺寸大小进行处理：

1)当木梁的水平裂缝深度(当有对面裂缝时，用两者之和)小于梁宽或梁直径的1/4时，宜采取嵌补新木条的方法进行修缮，必要时再用铁箍箍紧，铁箍间距不宜超过500 mm；

2)若构件的裂缝深度超过上述限值，则应对木梁进行承载能力验算。若验算结果满足结构承载力要求，则仍可以采用方法1)进行修缮；若验算结果不满足结构承载力要求时，可在木梁内埋入型钢或其他构件；当不能埋入其他构件时，应按照原样式更换木梁，新梁制作方法参照省级工法《徽州传统建筑木梁柱制作安装施工工法》[8 ]。

1.2 木梁梁身局部糟朽修缮

木梁表面局部出现腐朽，对不影响木构件受力且剩余截面的承载力满足规范中承载力要求，在确保安全的情况下可以进行局部剜补新木的方法；当不满足相关承载力的要求时，可以采用内置钢板或钢筋等加固方法；如果腐朽面积较大且严重，深及木梁内部且影响承重或承重部位长期受压产生劈裂或环裂破坏时，则应考虑更换木梁。

1.3 木梁内部糟朽修缮

对于一些梁内部已经糟朽严重，但其表面彩绘和精美的雕刻，为了最大限度地传承其展现出的文化信息及其存在的文物价值，在修复过程中可以将梁内部糟朽部位和相应的构件表面一并掏空，在内部采用植芯新木的方法进行修缮加固。

2 徽州传统建筑木梁有限元分析

2.1 木材本构关系

在进行木结构的抗压结构理论分析中，为了方便计算，木材顺纹本构关系简化为：应变在0～εL1的范围内，木材处于弹性阶段；应变在εL1～εL2范围内，木材处于塑性阶段；应变在εL1～εn范围内，木材的线应变处于弱化阶段；应变在ε>εn的范围内，木材处于强化阶段。它的本构关系见式(1)。

(1)

式中：p1(ε)=(ε-a);p2(ε)=(ε-a)2-b；ET=(σn-σL)/(εn-εL2)。

木材在横纹受压时，其横纹本构关系简化为：应变在0～εL范围内，木材处于线弹性阶段；应变在εL～ε范围内，木材的线应变处于弱化阶段；应变在ε>εn范围内，木材处于强化阶段。它的本构关系见式(2)。

σ=EL·ε,0<ε<εL，

σ=σL+EL(ε-εL),εL<ε<εn，

(2)

σ=c0+c1p1(ε)+c2p2(ε)+c3p3(ε),ε>εn.

式中：p1(ε)=(ε-a);p2(ε)=(ε-a)2-b；p3(ε)=(ε-a)2-b2(ε-a)；ER=(σn-σL)/(εn-εL)。其中，EL为木材的弹性模量，MPa；ET为木材的切线模量，MPa；σL为木材初始弹性阶段应力，MPa。

2.2 有限元模型建立

本文研究对象是安徽建筑大学结构大厅中从黄山整体搬迁过来的1栋徽州古民居建筑中堂的1根木梁(见图1)。该木梁截面长边略有弧度，由于总体近似于矩形，为了简化计算，计算模型采用矩形截面，截面长边稍许弧度忽略不计，木梁的长为4 400 mm，截面尺寸为240 mm×400 mm(宽×高)，铁箍厚度5 mm，宽度50 mm。根据徽州传统建筑木梁的实际糟朽情况建模，并利用ANSYS进行加固前、后的数值分析。

关于材料单元选取，ANSYS中木梁选取实体单元SOLID45，铁箍采用SOLID187，在模拟榫卯连接时采用半刚性特点时，需用接触单元来分析，以TARGE170单元作为目标面，CONTA174单元为接触面，采用面面接触，程序通过相同的实常数号来识别接触对，两者之间的摩擦系数为0.5[9]。具体参数如表1所示。

表1 杉木性能参数

注：表中的R，L，T分别表示木材的径向、纵向、弦向，木材选用徽州当地杉木，铁箍的参数E=206 GPa，μ=0.3，ρ=7 800 kg/m3。

2.3 结构计算工况

1)工况一(木梁梁身裂缝)：梁身出现裂缝情况如图2所示，裂缝取长方形体，前后裂缝对称且裂缝处尺寸具体每处3 000 mm×90 mm×40 mm(长×宽×高)，裂缝的截面底边距离木梁底面为180 mm，梁身裂缝嵌补修缮如图3所示。

图2 木梁梁身裂缝

图3 梁身裂缝嵌补修缮

2)工况二(木梁梁身局部糟朽)：木梁梁身中间部位受损情况如图4所示，糟朽部位最深处200 mm，长度1 200 mm，正中截面去除糟朽部位后近似于200 mm×240 mm(高×宽)的矩形，为了便于分析剩余截面，按照矩形进行计算，木梁局部剜补修缮如图5所示。

图4 梁身局部糟朽

图5 梁身局部剜补修缮

3) 工况三(木梁内部糟朽)：木梁内部受损严重，髓芯糟朽情况如图6所示，木梁内部糟朽部位近似于一个4 200 mm×180 mm×340 mm(长×宽×高)的长方体，糟朽部位到木梁外壳外表面30 mm，木梁内部新木植芯修缮如图7所示。

图6 梁身内部糟朽

2.4 木梁加固前、加固后理论计算与数值分析对比

运用ANSYS对3种工况下的木梁加固前与加固后进行数值分析，可得出木梁的位移、剪应力和应力的云图，为验证木梁的抗弯强度是否满足规范安全指标，根据规范需要得出受弯强度的数值[10 ]。即需要利用有限元计算出的应力先求出弯矩，再计算受弯承载力。

图7 梁身内部植芯修缮

M=∑σiAili.

(3)

式中：σi为木梁单元形心所对应的法向应力；Ai为单元表面面积；li为单元形心到截面距离；M为弯矩值。

根据规范标准，求出木梁修缮加固前、后的抗弯承载力、抗剪承载力与挠度值理论计算数值。各工况下木梁加固前与加固后理论计算结果和数值计算结果见表2、表3和表4。

表2 工况一加固前、后理论计算与数值分析结果

表3 工况二加固前、后理论计算与数值分析结果

表4 工况三加固前、后理论计算与数值分析结果

根据上述3种工况下木梁在加固前、加固后理论计算结果和数值计算结果进行对比与分析，归纳如下：

1)工况一木梁梁身出现裂缝的情况下，造成木梁裂缝处剪应力变大，其数值接近抗剪强度设计值，因此，需要进行嵌补新木并用两道铁箍加固，其数值分析结果也可以辅助证明。

2)工况二木梁出现局部糟朽的情况下，由于糟朽部位处于木梁中部，造成木梁抗弯承载力以及挠度不满足规范要求，因此，需要进行剜补新木加固。综合加固前后的数据来看,修缮后能够大幅度减小木梁挠度，从而提高木梁的整体安全性。

3)工况三木梁内部糟朽破坏的情况下，木梁髓心糟朽破坏部分剪切应力较大，不满足规范标准要求，需要进行植芯加固，从数值计算结果也可以得到验证。

4)上述3种工况的理论计算和数值分析的数值之间存在一定误差，但是对在修缮加固前木梁是否满足承载力要求的判断并不产生影响，两者均证明运用本文的修缮加固方法后对木梁的承载力有了极大改善。

3 结 论

本文在查阅文献资料的基础上，再到徽州地区进行实地调研,对徽州传统建筑木构架中木梁常见破损形式及其修缮加固方法进行了研究，得到以下结论：

1)归纳徽州传统建筑中木梁常见的损伤形式及其修缮方法，可以采用裂缝嵌补、局部剜补、植芯加固等方法对木梁进行修缮加固。通过对木梁进行抗弯承载力验算、抗剪承载力验算和挠度验算，以此判断木梁是否满足承载能力要求和正常使用要求。

2)采用有限元分析软件对木梁破损情况进行数值分析，通过结果对比分析，验证3种工况下木梁均不能满足承载力要求，进而需要对木梁进行相对应的修缮加固，对于加固后的木梁，其承载能力均满足要求。

3)通过对比3种工况下木梁破损情况的理论计算和数值分析，发现其抗弯强度、抗剪强度和挠度值虽然存在一定差距，但是在是否满足规范的结果上是一致的，从而验证采用理论计算和数值分析的方法都可对木梁的承载力和挠度进行验算，并且证明本文所总结的徽州传统建筑木梁修缮加固方法的可行性。

同时本文针对研究内容提供后续研究展望：

1)本文只对木梁梁身裂缝、局部糟朽、髓心糟朽3种破损情况进行研究，并且损坏部位选取都是典型，对于不同缺损部位、缺损深度以及其他修复方法有待进一步研究。

2)古建筑木结构木梁的加固修缮可以和BIM软件进一步结合起来，更方便直观地了解木梁修缮过程中的具体操作和遇到的难点问题。