浅析木结构裂缝原理及加固方法

刘及进 张昊翔 徐革

摘要：文章分析了木结构干缩裂缝产生的原因，通过规范公式及力学概念分析了不同类别的裂缝对构件产生的危害性，并建议根据不同危害性的裂缝采取有针对性的裂缝加强措施，最后文章简单分析了规范针对构件干缩裂缝的加固方法，介绍了现今较为常用的木结构裂缝加固方法。

[作者简介]刘及进（1989—），男，硕士，工程师，从事工民建结构工程设计工作。

1 木结构的优缺点

以木材为主要受力构件的木结构房屋相比钢筋混凝土房屋和钢结构房屋具有自重轻、刚度小，地震时，受到地面运动激励时会产生更小的地震作用，是较好的抗震材料。

但是木材作为直接取之于大自然而未经二次锻造的生物类建筑材料，其在全生命周期中是“活”的，随着季节的更替，日照、温度、湿度的变化，木材内部的含水率、微生物比例等都在不断变化，同时随着时间推移，纤维本身的内部成分也在发生变化，在这些多重因素的影响下木结构房屋则不可避免地存在湿胀干缩、易开裂等缺陷，这些不可控的变化影响了木结构的使用，是工程师不希望看到却必须要面对的。因此为了保证木结构房屋的安全性和耐久性，安全有效处理木结构的裂缝是必要的。

2 木构件开裂原因及裂缝分类

木结构构件在全生命周期中吸水膨胀、失水收缩，因而不可避免地存在着干缩裂缝。沿着木材纤维方向的干缩称为纵向干缩，沿着木材径向的干缩称为径向干缩，沿着木材年轮线切向的干缩称为弦向干缩，弦向干缩在三者中是最大的，可以达到6 %～12 %[1]，弦向干缩引起的细胞壁分裂形成的裂缝就是纵向干缩裂缝，这是木构件最常见的裂缝之一，这类裂缝通常和结构受力无关，而主要和周边环境相关。在木结构房屋使用过程中，还存在一种受力裂缝，主要是由于在受到外部荷载时，木材应力超过了其能承受的限值而出现细胞壁集中分离或木材纤维断裂，此类现象表现出来的外观特性即为木构件出现受力裂缝。实际工程中情况也可能会更为复杂而不能完全分开这两类裂縫，如有可能因为木构件首先产生干缩裂缝，然后杆件承载力减弱而进一步产生受力斜向裂缝或受力劈裂裂缝，两种裂缝在实际工程中可能完全独立，也可能相互交错影响。

DG/TJ 08-108-2014 《优秀历史建筑修缮技术规程》[2]指出应当根据木构件开裂对结构承载力的影响程度采用不同的加固方法，这就要求工程师在实际工程中能够定性甚至定量的判定木构件开裂的类别及危害性。

2.1 以拉压受力为主杆件的纵向裂缝

以拉压受力为主的杆件包括有木结构柱、木结构屋架下弦杆、腹杆等构件，此类构件的纵向裂缝最主要的是干缩裂缝，我们从GB 50005-2017《木结构设计标准》[3]中可知，轴心拉压强度公式为：

式中：f为构件材料顺纹抗拉（抗压）强度设计值;N为轴心受拉（受压）构件荷载设计值;An为构件的净截面面积。

当轴心拉压受力的构件安全不由稳定控制时，即使纵向裂缝充分发展形成两个独立的拉压分离体，对构件的净截面面积影响也非常小，构件受力的安全度基本不会降低，此时可以判定轴心拉压构件纵向裂缝对构件受力的危害性较小。当然绝对轴心受力构件并不存在，即使是摇摆柱、屋架下弦杆等构件也会因为偏心、实际支座约束与理论力学假定不完全相符而产生弯矩，此时如果木构件纵缝进一步发展，在荷载作用下可进一步导致纵缝形成独立受荷的两肢[4]，将会大大降低其能抵抗偏心弯矩的能力，而导致构件损坏。因此此类裂缝虽然理论上对构件承载力影响非常小，为了保证其能在偏心荷载作用也具有足够的安全性，且同时考虑到构件耐久性及人们视觉感官接受度，不能任由让此类裂缝发展，但可以弱化处理。

纵向裂缝也可能是因为节点区连接节点集中力造成的纵向劈裂裂缝，这则属于受力裂缝，结构上则必须进行安全验算并采取足够加强措施。

2.2 以拉压受力为主杆件的横向裂缝

轴向受力杆件的横向裂缝必然造成构件净截面面积的减小，从而造成结构安全度降低，此类裂缝通常是受力裂缝或因为外部物理损伤引起的，结构上必须进行安全验算并采取足够加强措施。

2.3 以受弯为主的杆件的纵向裂缝

以受弯为主的杆件主要包括有梁、枋、木望板等构件。如图1，此类构件的纵向裂缝又可进一步区分为裂缝由上、下表面垂直发展的竖向裂缝和裂缝由左、右表面水平发展的水平裂缝。

从GB 50005-2017《木结构设计标准》[3]中可知，受弯强度公式：

式中：fm为构件材的料抗弯强度设计值;M为受弯构件弯矩设计值;Wn为受弯构件的净截面抵抗矩。

从材料力学可知，当纵向裂缝为竖向裂缝时，即使竖向裂缝贯通，让原来构件变为两个独立体，始终可以保证Wn1=Wn2+Wn3，即构件的受弯承载力安全度未发生变化;而当纵向裂缝为水平裂缝时，随着裂缝逐渐发展，到一定程度a-b截面将无法承受弯矩作用下产生的内部剪力，此时将发生a-b截面的破坏，使得最后Wn1>Wn4+Wn5，受弯承载力安全度降低。

因此受弯构件的竖向裂缝可以弱化处理，而受弯构件的水平裂缝则必须要进行安全验算并采取足够加强措施。

2.4 以受弯为主的杆件的横向裂缝

受弯为主杆件横向裂缝必然造成构件净截面抗弯截面模量的减小，从而造成构件受弯安全度降低，此类裂缝通常是受力裂缝或因外部物理损伤引起的，结构上则必须进行安全验算并采取足够加强措施。

2.5 构件的斜向裂缝

构件产生的斜向裂缝通常是受力裂缝，如檩条、梁等构件在扭矩作用下造成的木结构构件纤维断裂的横向裂缝和纵向裂缝共同发展而成，最终形成的受扭斜裂缝。

大部分构件可以通过构件类别和裂缝分布判断构件裂缝类别，部分受力复杂处则需要通过有限元软件建模进行受力状态分析，再通过构件内力提取并与实际裂缝进行对比，判断其是否属于受力裂缝，再进一步判定其合理性和危害性，从而采取不同的加固手段。

3 加固方法

3.1 规范建议裂缝加固方法

规范[5]建议，木柱类轴心受力为主的构件，当裂缝深度不超过1/3时，在裂缝宽度不大于3 mm时，可直接用腻子勾抹严实，裂缝宽度在3～30 mm可用木条嵌补并用耐水性胶粘剂粘牢。通过前文已知，木柱的纵向裂缝对构件的受力影响较小，其加固的主要目的是避免虫害渗入构件内部，保证其耐久性，在感官表面上来处理裂缝。当裂缝宽度大于30 mm外，除了木条嵌补外加耐水性胶粘剂补严粘牢外，再附加铁箍2～3道，保证构件整体性，避免裂缝贯通，使得构件具有抵抗内部缺陷引起的弯矩和偶然作用引起的弯矩（图2）。

GB 50165-2020《古建筑木结构维护与加固技术规范》[5]建议的梁坊的干缩裂缝，要求明顯高于柱类构件，当水平裂缝深度小于梁宽1/4时，须采取嵌补措施并用2道以上铁箍或玻璃钢箍箍紧，当裂缝深度超过梁宽1/4时，则需要进行承载能力验算，承载力验算则主要是验算a-b截面的抗剪能力，如果无法满足承载力要求，则需要通过增设支撑、更换构件或其它处理方式。通过前文分析可知，梁、木望板等受弯构件的纵向裂缝的竖向干缩裂缝危害性和柱的纵向干缩裂缝类似，则可不必按此方式进行加固，加固方法可以适当弱化。

3.2 碳纤维加固

随着传统工艺的裂缝嵌补及铁箍加固外，FRP加固木结构的措施也被越来越多的研究和应用。德国Wiesbaden工业大学通过试验测试了CFRP对木结构梁受拉区进行加固来研究加固后木结构梁抗弯能力[6]，试验结果表明CFRP可以有效传递木结构断裂纤维的应力，对木材的自身缺陷和受力损伤均可以起到很好的加强作用，最终梁的承载能力可以提高64 %左右;同济大学邵劲松[7]对FRP加固木柱和木梁进行了试验研究，研究发现合理粘贴FRP可以对木结构梁的抗弯能力提升明显，环向加固木柱还可以提高构件的抗压承载力，改善构件延性。

3.3 专业螺钉加固

近年来也有一些针对木结构裂缝的专业自攻螺钉被提出应用于纵向裂缝和横向裂缝裂缝的加固措施中[8]，加固采用细长自攻螺钉贯穿构件裂缝，在剪弯段，自攻螺钉可以实现很好的修复率（图3）。

4 结论

木结构是一种环保、有文化底蕴的结构形式，以后也将越来越多的应用在结构设计中，工程师在面对此类构件的裂缝问题时，应当根据杆件类别、裂缝形式、裂缝深度、裂缝宽度、裂缝危害等选用不同的加固手段，针对受力裂缝，应该采取更强的加强措施，对构件承载力影响较小的干缩裂缝则可降低要求，进行耐久性和外观修补。必要时按实际截面进行模型复建和构件承载力验算判断裂缝的危害性。

轴心受力为主的木构件纵向干缩裂缝和受弯构件的纵向竖向裂缝通常对构件危害性不大，受弯构件的纵向水平裂缝和各类木构件的横向裂缝及斜向裂缝通常是受力裂缝，对木构件的危害性较大，需要针对性验算，必要时采取受力加固。

木结构加固手段也由传统的嵌补+铁箍的方式发展改进，现今FRP加固手段也较为成熟且取得了较多的工程应用案例，近来还有些学者采用自攻螺钉加固方法，实际工程中工程师可根据不同加固手段的特点灵活选用。

参考文献

[1] 木结构设计手册编辑委员会.木结构设计手册.[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[2] 上海市城乡建设和管理委员会. 优秀历史建筑保护修缮技术规程：DG/TJ 08-108-2004[S]. 上海：同济大学出版社， 2014.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.木结构标准设计标准：GB 50005-2017[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2017.

[4] 汤红永.纵向干裂木柱的受力性能及其修复加固[D].上海：同济大学，2009.

[5] 中华人民共和国住房和城乡建设部，国家市场监督管理总局.古建筑木结构维护与加固技术标准：GB50165-92[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2020.

[6] FORTIUS.Outlook for the Application of S&P Laminations CFK in Timber Construction[J]. BKI，2000，60-63.

[7] 邵劲松， 薛伟辰， 刘伟庆，等. FRP加固木梁受弯承载力计算[J]. 建筑材料学报， 2012， 15（4）：5.

[8] 宋晓滨， 吴亚杰， 顾祥林，等. 带纵缝木梁抗弯承载力及修复方法研究[J]. 同济大学学报（自然科学版）， 2016， 44（4）：9.