新技术“治愈”传统木结构建筑——FRP 加固木结构技术

木结构是我国和东亚其他国家历史建筑中最重要的结构形式。至今我国仍留存大量的宫殿、庙宇、民居等木结构历史建筑，其本身蕴含了丰富的历史文化内涵，是中华文明的重要组成部分。此外，我国每年都会新增大量的仿古木结构建筑。因木材自身材性缺陷和环境因素的影响，木结构建筑需要进行定期维护和修复。

近些年来，纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer/plastic，FRP)由于具有高比强度和良好的耐腐蚀性，在木结构加固维修领域得到了越来越广泛的研究和应用，但主要是采用外贴CFRP(carbon fiber reinforced polymer/plastic)布对木梁、木柱和节点进行加固修复，而对内嵌(near-surface mounted)CFRP 板(筋)材加固木结构法的研究不多。内嵌CFRP 板(筋)材加固法具有一些特别的优势，既适用于油漆的木构件，又适用于不做油漆的木构件，并且可以较大地提高木构件的承载力。

由于传统木结构建筑的特殊性和重要性，其加固修缮的要求非常严格，在对这些木结构建筑的结构安全性能予以增强的同时必须遵守不改变其文物原状的保护原则——“修旧如故”原则。传统的木结构建筑加固修缮方法主要有加钉法、螺栓加固法、加铁箍法、拉杆法、附加梁板法、附加断面法等。这些传统加固修缮方法容易使木结构建筑改变风貌，降低其文物价值，而且操作稍有不慎会导致构件新的破坏。

我国现存最早的木结构建筑是位于山西省五台县城西南22km 的南禅寺大殿(图1)，重建于唐建中三年(公元782 年)；现存最早的木塔是位于山西省朔州市应县城西北佛宫寺内的应县木塔(图2)，建于辽清宁二年(宋至和三年，公元1056 年)；现存最早的楼阁式木结构建筑是位于天津蓟州区的独乐寺内的观音阁(图3)，重建于辽圣宗统和二年(公元984 年)；我国长江以南地区现存最早的木结构建筑是位于福州市的华林寺大殿(图4)，建于北宋乾德二年(公元964 年)。

图1　南禅寺大殿

图2　应县木塔

图3　独乐寺观音阁

图4　福州华林寺大殿

近年来，随着科学技术的不断发展，新型材料的诞生带来了加固行业新的革命。FRP(fiber reinforced polymer/plastic)材料的出现，带动了整个加固行业的迅猛发展。同时FRP 材料加固修复建筑结构的研究也得到了不断的推进。在木结构建筑加固和修缮方面，FRP 材料较传统加固材料更有着无可比拟的优越性。FRP 材料具有轻质、比强度高、耐腐蚀、易裁剪、施工简便、节省人工等优点。用FRP材料加固修复木结构不仅可以提高承载力、刚度和延性，同时对木结构建筑的外观影响较小。

目前FRP 材料加固木结构建筑的方式主要是在木结构建筑表层粘贴纤维片材，其方法较传统的加固修缮方式无论是在施工简易程度上还是在加固效果上都有了明显的改进。但是由于这种加固方式为外贴式加固，如果木结构构件为清水面，则这种外贴FRP 加固方法会改变历史建筑的外观风貌，因此，这种加固方法只适用于油漆混水面的木结构构件加固。

为解决清水面木结构构件的加固问题，《FRP 加固木结构技术》一书研究了一种新型加固木结构构件的方式——内嵌CFRP(near-surface mounted carbon fiber reinforced polymer/plastic)加固技术。内嵌CFRP 加固技术是在木结构构件表面剔槽(木材较混凝土等材料而言更易于开槽)，同时可剔除部分原有的腐朽部位，然后用结构胶将CFRP 板条或CFRP 筋条嵌入槽中，使木结构构件和高强纤维材料共同工作，从而起到加固效果，最后在槽口表面用木屑、环氧树脂抹平。该内嵌CFRP 板(筋)材加固方法同外贴CFRP 加固方法一样，可以提高木结构构件的承载力和刚度等，但内嵌CFRP 板(筋)材加固法对木结构构件的外观几乎没有什么影响，不仅适用于清水面的木结构构件的加固，同时FRP 材料的内置，使得FRP 材料得到较好的保护，抗冲击性能、耐久性等也得以提高。

FRP 材料主要有FRP 布材、FRP 板材和FRP 筋材。FRP 材料的拉伸强度较高，且压缩强度也高，其应力-应变曲线呈现线弹性，不出现任何塑性特征。FRP布通常由FRP 丝束编织而成，主要有单向布、平纹布和斜纹布等。FRP 板材通常采用挤压成型，将FRP 原丝通过设备拉伸，同时浸润专用树脂，并在一定温度和压力下固化成型，形成具有一定树脂含量的FRP 板。

图5　CFRP 板材

图6　CFRP 筋材

FRP 板材一般为细条卷装包装，见图5。而FRP 筋材则是由若干股连续纤维束按特定的工艺经配套树脂浸渍固化而成，主要生产工艺包括编织型、绞线型和拉挤型，见图6，其主要力学性能与板材类似。

《FRP加固木结构技术》

淳庆，许清风　著

责任编辑：李涪汁，曾佳佳

北京：科学出版社，2020.6

ISBN：978-7-03-065366-6

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· 内容简介 ·

传统的木结构建筑加固修缮方法(如加钉法、螺栓加固法、加铁箍法、拉杆法、附加梁板法、附加断面法等)容易使木结构建筑改变风貌，而且操作稍有不慎会导致构件新的破坏。FRP材料具有轻质、比强度高、耐腐蚀、易裁剪、便于施工、节省人工等优点，用FRP加固修复木结构不仅可以提高承载力、刚度和延性，同时对木结构建筑的外观影响较小，是木结构建筑加固领域未来重要的发展方向之一。本书较为全面地介绍了FRP加固木结构的技术。内容包括：外贴CFRP布、外贴碳-芳HFRP布加固木梁受弯性能和受剪性能、加固木柱轴心受压性能等的试验和理论研究；内嵌CFRP板(筋)材加固木梁受弯性能、加固木柱轴心受压性能的试验和理论研究；外贴CFRP布和外贴碳-芳HFRP布加固木结构、内嵌CFRP板(筋)材加固木结构的施工工艺与技术要点；用FRP技术加固修缮重要木结构建筑的案例研究。

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