崔光海，馬智剛，林燕秋，龐書經(jīng)

（清華大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100084）

1 引言

歷史建筑是我國重要文化遺產(chǎn)，是被政府認(rèn)定為具有保護價值且能代表歷史風(fēng)貌和地方特點的建筑物[1]。不僅反映了不同地區(qū)和時代的建筑風(fēng)格和技術(shù)水平，也蘊含了豐富的歷史和文化信息。這些建筑是人類智慧和藝術(shù)的結(jié)晶，也是人類共同的財富。在歷史建筑中，木結(jié)構(gòu)體系占有重要的地位。木結(jié)構(gòu)是一種傳統(tǒng)的建筑結(jié)構(gòu)形式，具有輕巧、美觀、節(jié)能等優(yōu)點，但也存在著易燃、易腐、易變形等缺點。由于自然和人為的因素，木結(jié)構(gòu)建筑經(jīng)常遭受各種損壞，如火災(zāi)、地震、風(fēng)雨、蟲蛀、霉變等，導(dǎo)致其穩(wěn)定性和承載力下降，甚至威脅其安全性能。因此，對于現(xiàn)存的木結(jié)構(gòu)歷史建筑，如何進行有效的修繕加固，是一個亟待解決的問題。

目前，對于木結(jié)構(gòu)的保護和加固方法有很多種，如化學(xué)防腐、物理防火、夾板補強、碳纖維布粘貼等。這些方法各有其優(yōu)缺點，適用于不同的情況和需求。本文探討了一種常用的加固方法，即采用鋼抱箍對木構(gòu)件進行加固。鋼抱箍是一種環(huán)形的鋼板，可以分為兩個半圓形或矩形柱類似的部分，通過高強度螺栓連接在一起，形成一個緊貼木構(gòu)件外表面的圓環(huán)或矩形環(huán)。鋼抱箍通過預(yù)緊對木構(gòu)件施加向內(nèi)的壓力，可以防止木構(gòu)件的開裂和變形，同時提高木構(gòu)件的穩(wěn)定性和承載力。本文旨在探討鋼抱箍加固木構(gòu)件的原理、設(shè)計和施工。

2 鋼抱箍加固木構(gòu)件原理

當(dāng)沒有鋼抱箍時，木構(gòu)件干縮開裂、糟朽等，導(dǎo)致其截面尺寸減小、整體性下降，從而降低其穩(wěn)定性和承載力；當(dāng)增加鋼抱箍時，鋼抱箍約束了木構(gòu)件的開裂和變形，增強了整體性，鋼抱箍起到了一個支撐和約束作用，從而增加木構(gòu)件的穩(wěn)定性和承載力。

3 鋼抱箍加固木構(gòu)件的設(shè)計

鋼抱箍加固木構(gòu)件的設(shè)計應(yīng)根據(jù)具體情況確定其尺寸、數(shù)量、位置和連接方式。以下分別對這些設(shè)計參數(shù)進行說明。

3.1 鋼抱箍的尺寸

鋼抱箍的尺寸是影響其加固效果的重要因素。一方面，尺寸越大，鋼抱箍對木構(gòu)件施加的預(yù)緊力越強，加固效果越好；另一方面，尺寸越大，鋼抱箍自重越重，成本越高，施工難度越大。因此，在設(shè)計時要綜合考慮經(jīng)濟性和加固效果，并根據(jù)實際需要確定合理的尺寸。

鋼抱箍的尺寸包括厚度和寬度兩個方面。厚度是指鋼抱箍的截面厚度，寬度是指鋼抱箍的截面寬度。一般來說，厚度和寬度都應(yīng)與木構(gòu)件的直徑或?qū)挾认嗥ヅ?，即不宜過大或過小。過大的厚度和寬度會增加鋼抱箍的自重和成本，而且可能影響木結(jié)構(gòu)的美觀；過小的厚度和寬度則會降低鋼抱箍加固效果，當(dāng)鋼抱箍厚度為木構(gòu)件直徑或?qū)挾鹊?.5%左右時，鋼抱箍對木構(gòu)件的加固可以達到一個較好的水平，既能有效地提高木構(gòu)件的穩(wěn)定性和承載力，又不會造成過大的自重和成本；當(dāng)鋼抱箍寬度為木構(gòu)件直徑或?qū)挾鹊囊话霑r，鋼抱箍既能有效地防止木構(gòu)件的開裂和變形，又不會影響木構(gòu)件的美觀。實際設(shè)計時還要根據(jù)木構(gòu)件的材質(zhì)、受力情況和安全等級進行調(diào)整。例如，對于受力較大或安全等級較高的木構(gòu)件，可以適當(dāng)增大鋼抱箍的厚度和寬度；對于受力較小或安全等級較低的木構(gòu)件，可以適當(dāng)減小鋼抱箍的厚度和寬度。

3.2 鋼抱箍的數(shù)量

鋼抱箍的數(shù)量是影響其加固效果的另一個重要因素。數(shù)量越多，鋼抱箍對木構(gòu)件施加的預(yù)緊力越均勻，加固效果越好；但數(shù)量越多，鋼抱箍自重越重，施工難度越大，費用越高。因此，在設(shè)計時要綜合考慮經(jīng)濟性和加固效果，并根據(jù)實際需要確定合理的數(shù)量。

當(dāng)鋼抱箍間距為木構(gòu)件直徑或?qū)挾鹊?0 倍時，鋼抱箍對木構(gòu)件的加固可以達到一個較好的水平，既能有效地控制木構(gòu)件的開裂和變形，又不會造成過多的自重和費用。實際設(shè)計時還要根據(jù)木構(gòu)件的材質(zhì)、受力情況和安全等級進行調(diào)整。例如，對于受力較大或變化較劇烈的部位，可以適當(dāng)增加鋼抱箍的數(shù)量；對于受力較小或變化較平緩的部位，可以適當(dāng)減少鋼抱箍的數(shù)量。

3.3 鋼抱箍的位置

鋼抱箍的位置是影響其加固效果的第三個重要因素。一方面，位置越合理，鋼抱箍對木構(gòu)件加固效果越好；另一方面，位置越合理，鋼抱箍自重越小，施工難度越小，費用越低。因此，在設(shè)計時要綜合考慮經(jīng)濟性和加固效果，并根據(jù)實際需要確定合理的位置。一般情況下需在木構(gòu)件有裂縫或損傷處設(shè)置鋼抱箍。構(gòu)造加強情況下需在木構(gòu)件兩端各設(shè)置一個鋼抱箍，如果構(gòu)件長度較大，可在木構(gòu)件中間部分按照等間距設(shè)置若干個鋼抱箍。

在木構(gòu)件兩端設(shè)置鋼抱箍可以有效地防止木構(gòu)件在軸向壓力作用下發(fā)生失穩(wěn)；在木構(gòu)件中間部分按照等間距設(shè)置若干個鋼抱箍可以有效地控制木構(gòu)件的開裂和變形；在木構(gòu)件與橫梁或其他構(gòu)件連接處設(shè)置鋼抱箍可以有效地提高木構(gòu)件的抗剪能力和抗震能力；在木構(gòu)件有裂縫或損傷處設(shè)置鋼抱箍可以有效地修復(fù)木構(gòu)件的缺陷和增強木構(gòu)件的完整性。

3.4 鋼抱箍與木構(gòu)件之間的連接方式

鋼抱箍與木構(gòu)件之間的連接方式是影響其加固效果的第四個重要因素。連接方式越牢固可靠，鋼抱箍與木構(gòu)件之間的協(xié)同工作效應(yīng)越好，加固效果越好。目前，常用的連接方式有以下幾種。

1）螺栓連接：即用高強度螺栓將鋼抱箍的兩個半圓形或矩形柱類似的部分連接在一起，并用墊圈和螺母緊固。這種連接方式具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、可拆卸等優(yōu)點，但也存在著螺栓會松動、螺栓會腐蝕等缺點。

2）焊接連接：即用電焊或氣焊將鋼抱箍的兩個半圓形或矩形柱類似的部分焊接在一起，形成一個完整的環(huán)形結(jié)構(gòu)。這種連接方式具有結(jié)構(gòu)牢固、不易松動等優(yōu)點，但也存在著施工難度大、需要專業(yè)設(shè)備和人員、會產(chǎn)生高溫和火花等缺點。

3）膠粘連接：即用特種膠水將鋼抱箍的兩個半圓形或矩形柱類似的部分粘接在一起，并用夾具或繩索將其緊貼在木構(gòu)件外表面上，待膠水干燥后形成一個完整的環(huán)形結(jié)構(gòu)。這種連接方式具有結(jié)構(gòu)美觀、不會削弱木構(gòu)件截面、不會產(chǎn)生高溫和火花等優(yōu)點，但也存在著膠水質(zhì)量不穩(wěn)定、膠水干燥時間長、膠水易老化等缺點。

工程中常用的連接方式為螺栓連接，可以通過采用不銹鋼螺栓或通過做好防銹漆等方式解決防腐問題，通過雙螺母等做法可以解決螺栓松動問題。

4 鋼抱箍加固木構(gòu)件施工關(guān)鍵點

鋼抱箍加固木構(gòu)件的施工應(yīng)根據(jù)設(shè)計方案進行，并注意以下幾點。

1）在施工前，要對原有木結(jié)構(gòu)進行檢測和評估，確定其材料性能、受力狀況和安全等級，并制訂合理的加固方案。同時，要對木結(jié)構(gòu)進行清潔和保養(yǎng)，去除表面的灰塵、油污、水分等雜質(zhì)，保持木結(jié)構(gòu)的干燥和清潔。

2）在施工過程中，要注意保證鋼抱箍與木構(gòu)件之間的緊密貼合，避免出現(xiàn)空隙和松動，影響加固效果。根據(jù)不同的連接方式，要采用不同的方法進行預(yù)緊力的施加和控制。例如，對于螺栓連接，要用扭力扳手或扭力計對螺栓均勻地擰緊，并定期檢查螺栓的緊固程度；對于焊接連接，要用電焊或氣焊對鋼抱箍均勻地進行焊接，并注意防火和防燙；對于膠粘連接，要用特種膠水對鋼抱箍進行均勻涂抹，并用夾具或繩索將其緊貼在木構(gòu)件外表面上，待膠水干燥后再拆除夾具或繩索。

3）在施工后，要對加固后的木結(jié)構(gòu)進行檢測和驗收，評估其加固效果和安全性能，并進行定期的維護和檢查，防止鋼抱箍的腐蝕和松動，從而影響木構(gòu)件的使用壽命。

5 鋼抱箍加固木構(gòu)件優(yōu)缺點

鋼抱箍加固木構(gòu)件是一種簡單有效的加固方法，具有以下幾個優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，不會改變木結(jié)構(gòu)的原有形式和風(fēng)格；施工方便，不需要大型設(shè)備和復(fù)雜工藝；成本低廉，不需要使用昂貴的材料和人工；效果顯著，可以顯著提高木結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、承載力、抗剪能力和耐久性；可拆卸，可以根據(jù)需要進行拆裝和更換[2]。

然而，鋼抱箍加固木構(gòu)件也存在以下幾個缺點：鋼抱箍會增加木構(gòu)件的自重；鋼抱箍會影響木構(gòu)件的美觀，可能破壞木構(gòu)件的原有風(fēng)貌；鋼抱箍與木構(gòu)件之間的連接方式可能不夠牢固可靠，可能導(dǎo)致鋼抱箍的松動或脫落；鋼抱箍可能會受到腐蝕或磨損，可能影響其加固效果和使用壽命。

鋼抱箍加固木構(gòu)件是一種簡單有效的加固方法，但也存在一些缺點和不足。因此，在實際應(yīng)用中，要根據(jù)具體情況選擇合適的抱箍加固方案，并注意對加固后的木結(jié)構(gòu)進行定期檢查和維護。

6 實例分析

四川眉山太和老鎮(zhèn)位于眉山市東坡區(qū)太和鎮(zhèn)，基本為建于明清至民國時期的老舊建筑，太和老鎮(zhèn)有數(shù)十處不可移動文物和歷史建筑，大部分為磚木結(jié)構(gòu)，由于年久失修、風(fēng)雨侵蝕，很多房屋面臨損毀的風(fēng)險，為提升這些房屋的耐久性和安全性，對這些房屋進行修繕加固。

四川眉山太和老鎮(zhèn)房屋大部分為穿斗結(jié)構(gòu)，木結(jié)構(gòu)采用杉木，木柱直徑尺寸120～200 mm，穿枋高度150～200 mm，木檁條直徑150 mm 左右，椽條尺寸80 mm×80 mm，椽條間距300 mm 左右，一般采用瓦屋面，現(xiàn)場木結(jié)構(gòu)常見病害為局部糟朽開裂，為增強木柱承載能力和安全性，對局部開裂的部位進行抱箍加固，鋼板采用Q235B，鋼板厚度4 mm，鋼板寬度150 mm，螺栓采用M12 高強螺栓，為增強防腐蝕能力，鋼板和螺栓均進行防銹涂裝，為防止螺栓松動，用雙螺母進行擰緊。對現(xiàn)場常見的150 mm 直徑原木進行承載力分析，計算模型如圖1 所示。

圖1 計算模型圖

原木直徑150 mm，高3 m，假定兩端鉸接，施加軸向偏心荷載按杉木材質(zhì)進行計算，其承載力為89.9 kN，模型中間增加一道500 mm 長豎向縫近似模擬原木開裂影響，在同樣邊界及加載條件下其承載力下降約30%，在開縫模型中部增加4 mm 抱箍鋼板后進行計算，其承載力為82.6 kN。從分析中看出：原木開裂后，其承載力下降，當(dāng)進行抱箍加固后，其承載力基本恢復(fù)，鋼抱箍加固效果簡單有效。

7 結(jié)論

1）鋼抱箍加固木構(gòu)件是一種簡單有效的加固方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、成本低廉、效果顯著、可拆卸等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中，要根據(jù)具體情況選擇合適的抱箍加固方案，并注意對加固后的木結(jié)構(gòu)進行定期的檢查和維護。

2）原木構(gòu)件開裂后，其承載力下降，在進行鋼抱箍加固后，其承載力基本能夠恢復(fù)。