碳纤维加固技术在木结构柱中的作用

2012-12-31潘闪

山西建筑 2012年36期

潘闪

(北京建筑工程学院，北京 100044)

1 研究背景

中国古建筑以木材、砖瓦为主要建筑材料，形成以木构架结构为主要的结构体系。木构架结构的优点在于木料取材方便，施工速度快，抗震性好。其缺点在于木质材料的抗腐蚀性、抗虫蛀侵蚀和防火性能较差。

我国现存的古建筑由于年代久远，结构残损严重，尤其是木构建筑的柱根常受风雨侵蚀，最易糟朽。掩砌在墙体内的柱子，更容易受潮腐烂。因此，解决木柱糟朽问题便成为木结构建筑的主要修缮内容之一。传统修缮多用墩接柱根、抽换柱子或辅柱的方法来解决。采用墩接柱根的方法可以避免拆除原有结构，但这种方法要求更换的木材与原有木柱之间的连接必须牢固可靠，不能影响木柱的承载能力和耐久性。当木柱糟朽严重，木柱则需更换。这样不仅费用较高，而且处理不好会影响到相连的木梁及木屋架的整体性和安全使用，甚至会破坏建筑的风貌特征。

随着科技的发展，越来越多的新材料、新技术运用于古建筑保护中。碳纤维加固技术便是加固修复木结构的有效途径之一。碳纤维加固修补结构技术是继加大混凝土截面法、外包钢加固法、粘钢加固法之后的又一种新型的结构加固技术。

20世纪80年代起，美、日等发达国家开始碳纤维材料用于混凝土结构加固修补的研究。我国在这方面的技术研究起步较晚，国内最早通过的规范是2003年CECS 146∶2003碳纤维片材加固混凝土结构技术规程，现已经被最新的国家标准规范GB 50367-2006混凝土结构加固设计规范代替。碳纤维加固技术是将抗拉强度极高的碳纤维用环氧树脂粘结剂沿受拉方向或垂直于裂缝方向粘贴在要补强的结构上，形成一个新的复合体，使增强粘贴材料与原有构件共同受力，增大结构的抗裂或抗剪能力，提高结构的强度、刚度、抗裂性和延伸性。

与加大混凝土截面、外包钢加固和钢加固等传统加固技术相比，碳纤维加固技术具有加固效果好、施工简便、材料重量轻、不破坏原结构、耐久性好和适用范围广的优点。

2 碳纤维加固技术工艺研究

碳纤维施工工艺流程为:构件基层处理→涂刷底层树脂→粘贴工作→养护→涂装。

2.1 构件基层处理

结构的基层处理是粘贴玻璃纤维布最重要的一个步骤。基层处理不好，很容易造成后来粘贴的纤维布剥离或是形成空鼓。旧建筑物的结构在经过一段使用时间后会不同程度的存在一些缺陷，结构表面存在着杂质。因此必须先将原有结构存在的缺陷修复，并将妨碍施工的杂质剔除，露出基层。

2.2 涂刷底层树脂

涂刷底层树脂需首先按照加固设计图纸弹线确定加固位置，然后再配制底层树脂，且涂刷底层树脂前，必须确认木材表面没有粉尘，水渍或是其他对树脂渗透有影响的杂质。涂刷完底层树脂后应检查是否存在局部因树脂过多而凝聚的现象，如存在凝聚现象应尽快处理，以保证树脂表面平滑。

底层树脂指触干燥后需对结构面进行找平。配制找平材料用于修补结构表面局部不平整的部位。使用找平材料前，必须确认涂刷底层树脂后的木构件表面没有灰尘，水渍或是其他对树脂渗透有影响的杂质。

2.3 粘贴步骤

2.3.1 绘制碳纤维布的位置图

在进行粘贴纤维布施工前，按照设计图纸要求，对加固部位弹线以明确加固区域，确认粘贴纤维布的尺寸大小以及需要粘贴的层数。

2.3.2 碳纤维布剪裁

剪裁时应按设计规定尺寸剪裁碳纤维布，切记必须满足设计尺寸，严禁斜切碳纤维布，并防止出现拉丝现象。保证剪裁后的碳纤维加固方向与粘贴部位的方向一致。剪裁成型的碳纤维注意保护洁净不受污染。为防止材料在保管过程中损坏，材料的裁切数量应按当天的用量裁切为准。

2.3.3 涂浸渍树脂

在涂刷浸渍树脂前，要先检查加固部位和纤维布表面的杂质是否已清理干净，然后按照树脂生产厂商的要求，按比例配制浸渍树脂，并进行搅拌。配制后的浸渍树脂要在规定的使用时间里均匀的涂抹在加固部位。

2.3.4 铺贴碳纤维布

粘贴碳纤维前应对混凝土表面再次擦拭，确保粘贴面无粉尘。加固构件表面涂刷结构胶，必须做到涂刷稳、准、匀的要求，即:稳，刷涂用力适度，尽量不流不坠不掉;准，涂刷不出控制线;匀，涂刷范围内薄厚较一致。

2.3.5 表面涂浸渍树脂

在碳纤维布粘贴完成后，表面再涂刷一层浸渍树脂，作为纤维的保护层，树脂不需要涂刷很厚，只要能盖住粘贴的纤维即可。

2.4 养护

粘贴碳纤维材料后，需自然养护1 h～2 h达到初期固化，应保证固化期间不受外界干扰和碰撞。在保护层外覆塑料薄膜，养护期为1周～2周，养护期间温度不低于环氧树脂的允许温度。

2.5 涂装

养护完成后，除去塑料薄膜，在碳纤维布表面涂抹一层基底树脂，待基底树脂指触干燥后，外抹面层材料，最后在面层上涂刷耐火涂层。

3 碳纤维加固技术在木结构柱中的应用

基于上述有关碳纤维加固技术的背景及工艺的介绍，此章节将以北京前门地区青云胡同22号院颜料会馆为例来分析这种技术对木结构柱修复起到的实际作用。

颜料会馆为文物普查单位，它始建于明代，经清代多次重修变为商业会馆。虽然该建筑经过数次重修，但文物保护单位于2009年2月对青云胡同22号院调查发现，院落建筑主体存在诸多拆改、损伤及安全隐患，部分建筑已处于危险状态，如:建国后经多家企业作为厂房使用，维护较差，原有筒瓦改为机瓦，屋面局部现已坍塌;墙面风化酥碱严重，大部分被临建遮挡;戏楼内部主体结构保存尚好，但原平面格局已有多处拆改，楼梯无存，且梁架上部残留彩画，现已陈旧褪色。这些问题对建筑物的保存极为不利。因此，文物保护单位随即腾退文物占用单位，并进行全面修缮。

其中修缮的难点在于施工中发现戏楼木结构中的4根11 m长木柱有不同程度的径向轮裂。为保证工程质量，施工单位会同设计单位就此问题共同分析，为防止径向轮裂的延续，初步采用传统的木柱加固措施，即每隔500 mm对木柱加做扁铁抱箍的处理措施。

鉴于铁箍需卧入木柱，会使铁箍之间的径向轮裂发生剥离，加重木柱的破坏。因此，邀请多位古建专家对木柱加固方法召开论证会，专家论证意见:木柱的破坏主要是由于开裂引起的抗压强度不足，此种轮裂只要不再继续发展，对承载力不会产生影响，建议使用碳纤维加固法，既加固了木柱，又有较好的透气性，保证柱子中水分的挥发。听取专家的意见，考虑到该4根木柱均为11 m长，直径400 mm，长细比较大，为提高木柱抗侧刚度，碳纤维布沿纵向粘贴，每道碳纤维条150 mm宽，间距800 mm。为防止纵向碳纤维发生剥离破坏，在纵向碳纤维布外侧再包裹一层环向碳纤维布，起到锚固纵向碳纤维的作用。

通过以上方式对木柱实施碳纤维加固表明，纵向与环向形成的双向碳纤维复合加固层，能有效提高木柱的抗压强度(见图1)。