中國(guó)古建筑在世界上形成了獨(dú)特的建筑風(fēng)格，與歐洲建筑和伊斯蘭建筑共同組成世界三大建筑體系。

         在中國(guó)，大量木結(jié)構(gòu)古建筑遺跡被保存下來(lái)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年共有4295個(gè)國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)對(duì)象，其中包括1882個(gè)古建筑文物，占比43.82%，近總數(shù)的一半[1-2]。

        大多數(shù)木結(jié)構(gòu)古建筑都是國(guó)家重要的旅游文化資源，是珍貴的文化遺產(chǎn)，具有不可恢復(fù)性。由于歷年來(lái)地震、雷擊等自然災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，對(duì)古建筑造成危害，且由于木質(zhì)材料本身具有易開裂易變形等缺陷，所以對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑的修繕與加固具有重要意義。

       1.木結(jié)構(gòu)古建筑的破壞形式

        木結(jié)構(gòu)古建筑由于歷經(jīng)風(fēng)雨，并且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期荷載，木材性能下降，產(chǎn)生不同形式的破壞。其破壞形式主要有構(gòu)件開裂、材料腐朽、受彎構(gòu)件變形、節(jié)點(diǎn)脫榫等。

      1.1?構(gòu)件開裂

       當(dāng)古建筑長(zhǎng)期處于干濕交替的環(huán)境下，或者經(jīng)歷地震、雷擊等自然災(zāi)害后，木材的材性就會(huì)降低，出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象，這也是木構(gòu)件最常見的破壞形式。

       木構(gòu)件開裂后會(huì)導(dǎo)致其極限承載力與機(jī)械支撐性能下降，這不僅會(huì)對(duì)古建筑整體結(jié)構(gòu)的安全性造成危害，還易造成木構(gòu)件內(nèi)部進(jìn)水，從而引發(fā)腐爛或蟲害。當(dāng)開裂長(zhǎng)度超過(guò)總長(zhǎng)度的1/2，或者開裂深度大于木構(gòu)件直徑的1/4時(shí)，就需要對(duì)其進(jìn)行修繕和加固[3]。

       1.2?材料腐朽

       由于木腐菌的侵入，木材的顏色與結(jié)構(gòu)會(huì)逐漸發(fā)生改變，細(xì)胞壁遭到破壞，導(dǎo)致木材物理、力學(xué)性能下降，變得松軟易碎，呈篩孔狀或粉末狀，這種狀態(tài)被稱為腐朽[4]。

       古建筑的木構(gòu)件在潮濕環(huán)境下會(huì)發(fā)生腐朽，常發(fā)生在構(gòu)件的端部，尤其是柱根和屋面的角梁處[5]。在屋面漏雨或缺乏通風(fēng)時(shí)，更易出現(xiàn)糟朽情況，這會(huì)極大程度上降低木構(gòu)件的承載力，當(dāng)腐朽情況嚴(yán)重時(shí)，更會(huì)對(duì)古建筑整體結(jié)構(gòu)的安全性構(gòu)成隱患。

      1.3?受彎構(gòu)件變形

       對(duì)于木梁和桁架等受彎構(gòu)件而言，由于其跨度較大且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期荷載，構(gòu)件自然老化，彈性模量及抗彎性能大大降低，會(huì)發(fā)生彎垂等變形現(xiàn)象，這種現(xiàn)象不僅影響古建筑的外觀，最終還會(huì)使構(gòu)件發(fā)生破壞。

       1.4?節(jié)點(diǎn)脫榫

       榫卯結(jié)構(gòu)是中國(guó)木結(jié)構(gòu)古建筑各個(gè)構(gòu)件之間的基本連接形式[6]，榫卯的構(gòu)造、功能各異，木結(jié)構(gòu)古建筑中構(gòu)件常見的榫卯連接形式有檐（內(nèi)或金）柱榫、檐（內(nèi)、脊枋榫）、脊瓜柱榫、普拍枋榫、半榫、合柱鼓卯等，榫卯節(jié)點(diǎn)的“柔性”特點(diǎn)降低了結(jié)構(gòu)的整體剛度，增大了整體結(jié)構(gòu)的延性，使木結(jié)構(gòu)古建筑在地震中受到的慣性力減小，具有抗震性能。

      但從構(gòu)件的變形和破壞的發(fā)展來(lái)看，古建筑的破壞也總發(fā)生在榫卯節(jié)點(diǎn)處，破壞主要表現(xiàn)為榫卯節(jié)點(diǎn)的滑移變形、彈塑性變形、榫卯連接松動(dòng)等，最終導(dǎo)致脫榫，對(duì)整體結(jié)構(gòu)造成影響[7]。

      2. 木結(jié)構(gòu)古建筑的修繕原則

      2.1?保存現(xiàn)狀原則

      保存現(xiàn)狀原則也稱原真性原則，是在對(duì)古建筑修繕加固時(shí)應(yīng)遵循的基本原則，因?yàn)楣沤ㄖ闹匾獌r(jià)值就是它歷經(jīng)漫長(zhǎng)歲月，記錄下了各朝代的修建形式，所以應(yīng)保留各時(shí)期的歷史痕跡，盡量保存木結(jié)構(gòu)古建筑的現(xiàn)狀與原真性，修繕的重點(diǎn)應(yīng)在于經(jīng)常性的保養(yǎng)維護(hù)和加固，避免造成保護(hù)性破壞。當(dāng)然，當(dāng)古建筑構(gòu)件已經(jīng)損壞并影響到整體結(jié)構(gòu)安全性時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行修復(fù)[7-8]。

     2.2?“整舊如舊”原則

      近代以來(lái)，由梁思成、劉敦楨為代表的一些學(xué)者，主張“整舊如舊”的修繕原則，這一原則也獲得了廣泛的認(rèn)同[10]。1993年5月，我國(guó)開始實(shí)施《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》，規(guī)定結(jié)構(gòu)可靠性的鑒定應(yīng)根據(jù)承重結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)殘損點(diǎn)的情況來(lái)進(jìn)行評(píng)估，并規(guī)定了殘損點(diǎn)的評(píng)定界限[11]，這也和“整舊如舊”原則相吻合。其中對(duì)“舊”的理解是使古建筑恢復(fù)到其健康狀態(tài)，而非刻意做舊，盲目地采用復(fù)古、仿古等簡(jiǎn)單方法去模仿，應(yīng)使木結(jié)構(gòu)古建筑煥發(fā)出其歷史的美感[12]。

      3. 木結(jié)構(gòu)古建筑的傳統(tǒng)加固技術(shù)

      3.1?剔補(bǔ)與墩接加固技術(shù)

       當(dāng)木柱只有表層腐朽，且能滿足受力要求、不影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)，可采用剔補(bǔ)加固技術(shù)，具體方法是先將腐朽部分剔除，然后對(duì)其進(jìn)行防腐處理，再使用干燥后的木料依原樣將木柱修補(bǔ)整齊并粘接，必要時(shí)外設(shè)2~3道鐵箍進(jìn)行固定。

       當(dāng)木柱柱腳部分出現(xiàn)嚴(yán)重的糟朽情況，但腐朽部分沿底部向上未超過(guò)木柱高度的四分之一時(shí)，可采用墩接柱腳的加固技術(shù)。具體方法是先將腐朽部分剔除，然后再利用木料、鋼筋混凝土或石料進(jìn)行拼接，用木料墩接時(shí)，可使用“巴掌榫”、“抄手榫”等榫卯式樣，將木料與木柱嚴(yán)密對(duì)縫，然后外設(shè)鐵箍固定；鋼筋混凝土墩接一般用于墻內(nèi)不露明的柱子，使用螺栓與原構(gòu)件固定；石料墩接時(shí)，其尺寸應(yīng)小于木柱直徑100mm，然后用厚木板包裹，并外設(shè)鐵箍固定[11-13]。

       3.2?支頂加固技術(shù)

       通過(guò)對(duì)古建筑的梁架進(jìn)行支頂，可以減小其撓度，這種加固方式的主要思路就是使用小木柱或者鐵鉤為梁架增加附加支座，改善木梁的內(nèi)里分布，提高木梁的承載力。

      支頂加固法會(huì)改變整體結(jié)構(gòu)的傳力體系，當(dāng)遇到需要更換構(gòu)件的情況時(shí)，需要卸除荷載，對(duì)其進(jìn)行“落架”，這種方法對(duì)構(gòu)件甚至是整體結(jié)構(gòu)容易造成損傷，且是不可彌補(bǔ)的[5]。

      3.3?更換構(gòu)件法

      若遇到木構(gòu)件腐朽或開裂嚴(yán)重、不易修繕的情況，就需要更換構(gòu)件，更換的新構(gòu)件應(yīng)和原構(gòu)件尺寸相同，且與原建時(shí)的形制相同[10]。

      3.4?化學(xué)灌漿技術(shù)

       化學(xué)灌漿技術(shù)就是將低黏度的樹脂經(jīng)過(guò)一定配比，制作成灌漿材料，然后加壓注入到木材內(nèi)部，采用這種加固方法，除了可以修補(bǔ)木構(gòu)件的缺陷，增加其強(qiáng)度外，還可以使被加固構(gòu)件的防腐、防蟲能力得到提升，增加尺寸穩(wěn)定性[13-14]。

      在木構(gòu)件開裂較大、內(nèi)部因蟲蛀或腐朽形成中空的情況下，使用化學(xué)灌漿技術(shù)可以有效改善缺陷，但是這種技術(shù)無(wú)法修補(bǔ)木材內(nèi)部細(xì)小的裂縫，具有一定的局限性。

      3.5?鐵件加固技術(shù)

      對(duì)于梁、柱等構(gòu)件而言，由于長(zhǎng)期承受荷載并受到雨水侵蝕，會(huì)產(chǎn)生開裂現(xiàn)象，可以用鐵箍對(duì)其進(jìn)行包裹，之后用鉚釘固定，這種方法主要是用鐵箍的核心約束作用來(lái)提高構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度；在18世紀(jì)到19世紀(jì)時(shí)，國(guó)外一些木結(jié)構(gòu)古建筑還使用鍛鐵帶來(lái)固定木梁的開裂部位，如圖1[15]；

      對(duì)于主要承重的大龍骨而言，可在其兩端用鐵鉤對(duì)其加固，鐵鉤一端直接削尖或使用鉚釘固定在龍骨上，另一端固定在與其相連的承重梁上，這種方法是通過(guò)鐵鉤端頭或者鉚釘?shù)募s束力來(lái)分擔(dān)部分抗剪荷載。

         圖1 鍛鐵帶加固古建筑木梁

        對(duì)于榫卯節(jié)點(diǎn)而言，當(dāng)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性降低，出現(xiàn)拔榫等現(xiàn)象時(shí)就需要對(duì)其進(jìn)行加固。加固方法通常是采用5~20mm厚的鐵片進(jìn)行連接或拉結(jié)，然后用鉚釘固定，這種方法是通過(guò)鐵片來(lái)對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行約束，增加構(gòu)件之間的聯(lián)系。

       對(duì)于小型構(gòu)件，可以使用鐵釘進(jìn)行拉結(jié)，鐵釘?shù)念愋陀写┽?、蘑菇釘、鑷頭釘、兩尖釘?shù)?。這種方法是讓鐵釘承擔(dān)部分拉、壓、彎、剪力[16]。

       鐵件加固技術(shù)可以有效提高木結(jié)構(gòu)古建筑的承載力及剛度，但是也存在著諸多問(wèn)題。

       首先，由于木材具有干縮濕脹性，鐵件會(huì)發(fā)生變形并且容易生銹，如果生銹嚴(yán)重就會(huì)威脅到整體結(jié)構(gòu)的安全性；

         其次，傳統(tǒng)的鐵件加固技術(shù)會(huì)采用鐵件本身或鉚釘以致對(duì)木構(gòu)件造成破壞，導(dǎo)致木構(gòu)件開裂，在破壞材料的同時(shí)還會(huì)造成新的安全隱患；

       最后，鐵件加固技術(shù)往往具有不可逆性，這種不可逆性不僅對(duì)木結(jié)構(gòu)本身造成破壞，還給檢修及更換造成困擾，當(dāng)加固件發(fā)生老化時(shí)無(wú)法拆除，只能對(duì)木構(gòu)件進(jìn)行“二次加固”，這種方法不僅影響美觀，還會(huì)影響加固效果。

       4. 新技術(shù)在木結(jié)構(gòu)古建筑加固中的應(yīng)用

       4.1?FRP加固技術(shù)

       FRP（Fiber Reinforced Polymer/Plastic）即纖維增強(qiáng)材料，是一種高強(qiáng)度纖維與樹脂基體結(jié)合而成的材料，由于其強(qiáng)度重量比高、易于加工等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。其多樣性反映在建筑行業(yè)，且已被廣泛使用多年，特別是在加強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)中，近年來(lái)，該技術(shù)也被擴(kuò)展到木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中。根據(jù)增強(qiáng)材料的不同，常見的FRP包括玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（AFRP）[17]。

        FRP最早被應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域，由于具有質(zhì)輕高強(qiáng)、耐腐蝕性好、易裁剪等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，并得到了迅速發(fā)展。FRP在木結(jié)構(gòu)建筑中的加固思路主要有抗彎加固、抗剪加固以及抗壓加固。

        FRP可以增強(qiáng)木梁的受彎性能，通常使用的方法是將FRP材料粘貼在木梁底部或者埋設(shè)在木梁內(nèi)部，研究表明， FRP可減緩木梁在受拉時(shí)所發(fā)生的脆性破壞,還能降低木材缺陷對(duì)抗彎性能的影響,提高木梁的剛度和延緩破壞能力[18]；在受拉面粘貼FRP布可以提高木梁的極限承載力[19-21]；將芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料布（AFRP）粘貼在木梁底部，可有效減小木梁的蠕變撓度[22] ；使用FRP片材對(duì)杉木和柞木木梁進(jìn)行加固，可以提高木梁的承載力與強(qiáng)度[23]；使用碳纖維布（CFRP）加固木梁，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)，采用由四層碳環(huán)氧單向?qū)訅喊鍢?gòu)成的薄外筋加固梁時(shí)可達(dá)到最大彎曲強(qiáng)度[24]。

        FRP還可以增強(qiáng)木柱的受壓性能，研究表明，使用玻璃纖維布（GFRP）和碳纖維布（CFRP）橫向纏繞于木柱周圍，可提高木柱的抗壓承載力,改善木柱的延性[25] ；使用碳纖維布（CFRP）和玄武巖纖維布（BFRP）加固新疆楊木柱，木柱的承載力和縱向變形都得到了提高，且與加固層數(shù)成正比[26]；使用玻璃纖維布（GFRP）加固橋梁木樁, 結(jié)果顯示即使在極端劣化后，仍能顯著提高木樁的極限承載力和延性,如圖2[27]。

       圖2 使用FRP加固試件的破壞情況

       近年來(lái)國(guó)內(nèi)還有學(xué)者利用FRP對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，具體方法是用化學(xué)試劑將節(jié)點(diǎn)處清洗干凈，然后用FRP布對(duì)榫卯節(jié)點(diǎn)處沿木梁的縱向進(jìn)行包裹，之后用環(huán)形纖維布箍緊并用膠黏劑將其粘牢，防止滑脫，這種方法可提高節(jié)點(diǎn)的抗彎、抗剪能力，還有效抑制了脫榫現(xiàn)象的發(fā)生[28]。

       FRP在木結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，具有廣闊的市場(chǎng)與發(fā)展前景，然而，由于缺乏統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范，很多情況下FRP的使用存在很大的限制。

      在研究的過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，首先，F(xiàn)RP加固木梁后，對(duì)于其受剪性能的研究還是較少的，有待進(jìn)一步研究；其次，通過(guò)FRP加固木結(jié)構(gòu)后，其防火性能如何還需要進(jìn)行探索[29]；最后，榫卯結(jié)構(gòu)是我國(guó)木結(jié)構(gòu)古建筑的特點(diǎn)，但使用FRP只適合加固損壞程度較小的節(jié)點(diǎn)區(qū)域，且加固后對(duì)其強(qiáng)度和剛度的增強(qiáng)效果并不理想，這部分還需要進(jìn)行新的加固形式的探索。

        4.2?預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)

        在受彎構(gòu)件承受荷載之前，預(yù)先對(duì)其施加一定的壓應(yīng)力，可以幫助構(gòu)件在承受外荷載時(shí)，抵消一部分拉應(yīng)力，提高構(gòu)件的承載力與剛度，還可有效抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及彈性變形。預(yù)應(yīng)力技術(shù)在19世紀(jì)就被應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)中，之后得到了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展[30]，但采用預(yù)應(yīng)力加固木結(jié)構(gòu)建筑還是一種新興的加固方式。

      采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)可對(duì)古建筑木梁進(jìn)行加固，研究表明，在木梁受拉區(qū)域粘貼碳纖維布，讓碳纖維布產(chǎn)生拉應(yīng)力，使木梁整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，用這種加固方法可有效提高木梁的承載能力、剛度和延性[31]。

       采用體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)可對(duì)木結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行加固與改造，體外預(yù)應(yīng)力技術(shù)就是將預(yù)應(yīng)力筋安裝于構(gòu)件截面之外的一種預(yù)應(yīng)力技術(shù)，具有使用簡(jiǎn)單、施工方便、作用力大等諸多優(yōu)點(diǎn)。

         采用此技術(shù)可對(duì)木結(jié)構(gòu)橋面板進(jìn)行加固，如圖3[32]，隨著時(shí)間的推移，預(yù)應(yīng)力技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于新建的木結(jié)構(gòu)橋梁中，可對(duì)橋梁的主梁及橋面板進(jìn)行增強(qiáng)，使木結(jié)構(gòu)橋梁向著大跨徑的方向發(fā)展。

        圖3 體外預(yù)應(yīng)力疊合木橋面板

        4.3?納米材料加固技術(shù)

          近年來(lái)，國(guó)外還有學(xué)者用碳納米管增強(qiáng)的聚合樹脂對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑進(jìn)行修繕，這種修繕技術(shù)可以對(duì)腐爛、受蟲害的木材部件或連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行局部修復(fù)。采用碳納米管樹脂涂層涂于木構(gòu)件表面或?qū)δ緲?gòu)件進(jìn)行局部浸漬，可提高木材的承載力和抗彎強(qiáng)度[33]。

         這種方法還需要進(jìn)一步的研究，首先需對(duì)碳納米管樹脂涂層的透氣性進(jìn)行更詳細(xì)的研究，以便獲得使涂層對(duì)蒸汽的滲透性最大化的碳納米管含量；其次還需要研究在木材表面和結(jié)構(gòu)中使用納米材料的經(jīng)濟(jì)可行性。

         木材作為一種天然的納米復(fù)合材料，在納米技術(shù)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。復(fù)合納米材料在木結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用是一項(xiàng)尚未廣泛應(yīng)用的技術(shù)，但是納米材料具有自清潔性、防紫外線功能、耐水性、阻燃性、抗劃痕性、抗涂鴉性和防霉抗菌性等諸多優(yōu)異性能[34-35]，所以碳納米管增強(qiáng)樹脂在木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用具有廣闊前景。

        5. 結(jié)語(yǔ)

        綜上所述，木結(jié)構(gòu)古建筑應(yīng)遵循保存現(xiàn)狀和整舊如舊的修繕原則，但是傳統(tǒng)的加固方法在一定程度上均會(huì)對(duì)古建筑的外觀以及材料本身造成破壞，而且不易維護(hù)與更換，大多具有不可逆性。

        隨著科技的發(fā)展以及新材料的出現(xiàn)，很多新的加固技術(shù)被應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)古建筑加固與修繕的領(lǐng)域中，如FRP、納米材料加固技術(shù)等。未來(lái)應(yīng)把更多新材料、新技術(shù)引入到古建筑修繕這一領(lǐng)域中，并對(duì)其展開更廣泛和深入的研究，采用更多環(huán)保、綠色的材料，優(yōu)化施工程序，減少對(duì)木結(jié)構(gòu)古建筑的二次甚至是多次重復(fù)加固，使加固方法向高效、經(jīng)濟(jì)和安全的方向發(fā)展。