楼阁式木构架建筑的变形复位加固方法【技术领域】[0001]本发明涉及一种楼阁式木构架建筑的变形复位加固方法，属于传统木构架建筑修缮【技术领域】。技术背景[0002]中国和东亚地区传统的多层楼阁式建筑通常采用叠层式木构架结构，其主体结构由柱架层和铺作层交替叠垒而成，每一层是一个整体构造。木构架建筑由非刚性的卯榫节点将构件连接成整体，其抗变形刚度较弱，在长期环境侵蚀和地震、强风的作用下易发生节点松脱和构架歪闪；对于多层楼阁式建筑而言，结构的总体变形基本为层间变形的叠加。[0003]著名的应县木塔是一座典型的楼阁式木构架建筑，其塔身由五个明层与四个暗层交替叠加组成；暗层由设置了斜撑的内、外柱圈构成，结构刚度较大；明层仅由内、外柱圈构成，结构刚度相对较薄弱。在长期风荷载和多次强地震作用下，木塔整体向北偏东倾斜，顶层相对底层总倾斜偏移达到454毫米；木塔的变形主要发生在塔身的明层，其中，第二层明层的变形最大，层间扭转偏移达到126.79毫米，内外圈32根柱均有不同程度的倾斜。目前，应县木塔的状况尚在继续恶化，亟待修缮加固。[0004]中国拥有数量众多的木构架古建筑，且大都存在不同程度的歪闪变形；对歪闪变形的木构架进行纠偏加固，是我国今后一段时期古建筑修缮加固的重点工作。木构架古建筑是我国重要的文化遗产，其修缮加固工作需遵循文物保护原则，并要保证绝对安全；为较好地保存古建筑的历史信息，一般要求采用“不落架”的整体修复方式。即在不拆落木构架的情况下，使倾斜、扭转的构架复位，再进行整体加固。楼阁式木构架建筑的体形高大、构造复杂，对其实施“不落架”整体纠偏加固，通常在建筑物周边架设大型的室外操作台架，再安装机械装置推顶或张拉变形的木构架使其复位；复位工程需要较为开阔的施工场地和足够刚度的操作台架，工程费用较大；此外，室外机械装置与木构架内部构件的连接较为困难，需拆除部分屋檐或门窗以满足施工操作的要求，对古建筑的外观有一定程度的损坏。
[0005]本发明的目的是提供一种楼阁式木构架建筑的变形复位加固方法，解决现有在周边架设大型的室外操作台架，再安装机械装置推顶或张拉变形的木构架使其复位方法存在的上述种种不足，通过本发明为具有倾斜和扭转变形的楼阁式木构架建筑在兼顾文物保护和结构安全要求的、且不受外部场地条件限制的状况下实现有效复位加固。[0006]本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种楼阁式木构架建筑的变形复位加固方法，其特征是，所述方法是对变形的楼阁式木构架建筑从内部采用顶-拉复位；所述顶-拉复位采用顶撑-张拉装置；首先加固下部结构，作为施加复位力系的固定层；然后在相关楼层主体倾斜方位的木柱架之间设置顶撑-张拉装置，通过若干次循环的方式对各榀倾斜木柱架施加复位作用力，顶撑-张拉装置使变形的木柱架恢复到原始竖直位置，待变形楼层复位至预定的位置后，保持各顶撑-张拉装置的作用力，采用木楔和垫块分别对梁柱节点和柱脚进行定位加固，以增强结构的复位稳定整体性能。
[0007]所述木柱架的轴线与楼层主体倾斜方位不一致时，在各控制部位的相邻两个方向的木柱架之间同时设置顶撑-张拉装置，顶撑-张拉装置设置在变形木柱架之间，可对两侧变形柱头分别施加顶撑力和张拉力。
[0008]所述顶撑-张拉装置根据建筑物的使用要求，可长期安放在建筑中，作为木构架的附属加固体；也可以作为临时加固体，在一个较长的结构稳定观测期后，逐步放松装置至最终拆除装置。
[0009]所述每次复位量不宜超过该木柱架目标复位值的1/3。
[0010]所述循环的方式是从倾斜最大的木柱架开始，依次对其余倾斜木柱架分别施加顶撑力和张拉力。
[0011]所述循环的方式在每一次循环复位完成后，间歇一天以增加木柱架的变形稳定性。
[0012]所述顶撑-张拉装置由千斤顶撑杆、两副花篮螺栓拉索和节点钢套箍构成；千斤顶撑杆中钢管撑杆用于支顶向木柱架内侧倾斜的柱头；花篮螺栓拉索由花篮螺栓、花篮螺栓两端旋接端头具有弯钩的螺纹钢筋和一端螺纹钢筋上套置的钢筋计构成；两副花篮螺栓拉索用于张拉向木柱架外侧倾斜的柱头，节点钢套箍用于千斤顶撑杆、花篮螺栓拉索与木柱架的连接。
[0013]所述节点钢套箍由半圆形镀锌钢管、不锈钢合页和螺栓螺母连接件构成，两半圆形镀锌钢管的侧面上焊有相对称的带环螺栓。
[0014]所述节点钢套箍由半圆形镀锌钢管、不锈钢合页和螺栓螺母连接件构成，其中一半圆形镀锌钢管的侧面上焊有对应千斤顶的空心钢管基座或对应千斤顶撑杆中钢管撑杆的撑杆固定件。
[0015]本发明适用于变形木构架内部复位施工，研制了与方法相配套的顶撑-张拉复位装置，可有效地改善现有的室外复位工艺的缺陷，利用变形较小的基座层(或楼层)作为复位装置的固定支座，对其上变形较大的楼层施加内部复位力系实现复位，施工作业完全不受建筑物外部场地和气候条件的制约，可节省场地费用和架设大型脚手架费用，可避免外部作业对古建筑门窗和屋檐的损坏；此外，采用的内部复位装置兼具了安全支撑的功能，增加了施工过程中结构的整体安全性，也为楼层复位后的结构稳定期提供了一个可靠的维持力系。本发明提升了我国木构架古建筑修复工艺的水准，并能获得一定的经济效益。



[0016]图1为本发明中顶撑-张拉装置、施工安全钢支撑架在复位楼层中的横截面布置示意图；
图中，1-1花篮螺栓拉索，1-2千斤顶撑杆，2施工安全钢支撑架，A、B、C、D、E、F代表相应木柱，箭头表示倾斜方向；
图2为本发明为基底结构层加固示意图；
图中，3加固支撑，4钢板箍；
图3为本发明中施工安全钢支撑架在木柱架之间的安装图；
图中，2施工安全钢支撑架，4钢板箍，6地褓，7柔性垫层，8倾斜木柱，9木梁(枋)，10斗拱，11螺旋式高度调节器；
图4为本发明中顶撑-张拉装置在木柱架之间的安装放大示意图；
图中，4钢板箍，5-1、5-2节点钢套箍，5-3、5-4节点钢套箍，6地褓，8倾斜木柱，9木梁(枋)，10斗拱，14带环螺栓，17钢管固定件，18空心钢管基座，19花篮螺栓，20钢筋计，21千斤顶，22钢管撑杆，23螺纹钢筋；
图5为本发明中节点钢套箍5-1的主视结构示意图；
图6为图5的俯视结构意图；
图中，12半圆形镀锌钢管，13不锈钢合页，14带环螺栓，15焊缝，16螺栓螺母连接件； 图7为本发明中节点钢套箍5-3的主视结构示意图；
图8为图7的俯视结构意图；
图中，12半圆形镀锌钢管，13不锈钢合页，15焊缝，16螺栓和螺母连接端，17撑杆固定
件；
图9为本发明中节点钢套箍5-4的主视结构示意图；
图10为图9的俯视结构意图；
图中，12半圆形镀锌钢管，13不锈钢合页，15焊缝，16螺栓和螺母连接端，18空心钢管
基座；
图11为千斤顶、千斤顶撑杆和花篮螺栓拉索结构示意图；
图中，1-1花篮螺栓拉索，1-2千斤顶撑杆，19花篮螺栓，20钢筋计，21千斤顶，22钢管撑杆，23螺纹钢筋。

[0017]结合附图和实施例进一步说明本发明，如图1所示，对于多层楼阁式木构架建筑的变形复位，宜自下而上逐层复位施工；也可针对主要的变形楼层，直接进行复位施工。以应县木塔为例，取变形最大的第二层明层为复位楼层，采用本方法复位施工的具体步骤如下:
(I)复位楼层的检测加固，测定复位楼层柱圈的整体变形值，重点确定各柱的侧移值，检测梁柱构件的损伤部位及损伤程度，对损伤严重的构件进行加固或替换，以保证施工中的安全。
[0018](2)顶撑-张拉装置的布设，如图1、3、4所示。根据楼层的变形特征，选择侧移最大的几榀木柱架为控制部位，将顶撑-张拉装置分别布置在控制部位的两木柱的轴线之间，如图1中的A、B、C、D。顶撑-张拉装置的方位，尽可能与楼层主体倾斜方位一致；对于木柱架的轴线与楼层主体倾斜方位不一致的情况，可在各控制部位的相邻两个方向的木柱之间同时布设顶撑-张拉装置，也可通过力学分析确定多个顶撑-张拉装置的总体合理布设位置。
[0019](3)基底结构层的施工加固，如图2所示。对复位楼层的基底结构层，如本例为其下的第二层暗层采用加固支撑3进行施工加固，重点加固顶撑-张拉装置安装部位的柱底节点，为复位楼层的施工提供可靠的固定约束。为便于复位施工完成后拆卸，加固支撑3可采用螺栓连接型钢制作。
[0020](4)复位柱架的柱脚加固，如图2、3、4所示。倾斜木柱8的复位施工是以柱脚为固定点，通过顶撑-张拉装置使倾斜的柱头复位。对于柱脚与地褓6非固定连接的情况，宜采用钢板箍4对柱脚加固。
[0021](5)施工安全支撑设置，如图1、3所示。在与复位施工倾斜木柱8相邻的两木柱间设置钢支撑架2，为施工过程提供安全保证。钢支撑架2为一整体门式刚架结构，如图3所示，钢支撑架2的两竖向架体下端分别设置螺旋式高度调节装置11，便于安装和拆卸；在钢支撑架2的横向架体与楼层木梁(枋)9之间设置摩擦力小的柔性垫层7以避免阻碍楼层复位的水平运动。
[0022](6)节点钢套箍的安装，如图4所示。对安装顶撑-张拉装置的木柱，需在柱头和柱脚处安装节点钢套箍5-1、5-2或5-3、5-4，用以连接顶撑-张拉装置，并防止木柱受力损坏，节点钢套箍5-1、5-2、5-3、5-4由半圆形镀锌钢管12和不锈钢合页13构成，如图5、7、9所示，便于安装和拆卸；每一组顶撑-张拉装置配有花篮螺栓拉索1-1连接节点钢套箍两只5-1、5-2，千斤顶撑杆1-2固定节点钢套箍两只5-3、5-4 ;花篮螺栓拉索1_1连接节点钢套箍5-1、5-2的两侧均焊有带环螺栓14，用于花篮螺栓两端的弯钩连接；千斤顶撑杆1-2固定节点钢套箍5-3焊有撑杆固定件17用于连接钢管撑杆22，千斤顶撑杆1-2固定节点钢套箍5-4焊有空心钢管基座18用于固定千斤顶21。各节点钢套箍的内径尺寸与所箍柱头或柱脚外径尺寸一致，以保证紧密接触。在安装套箍之前，先将柱头、柱脚用碳纤维布包裹，以增强接触面的承载能力。
[0023](7)顶撑-张拉装置的安装，如图1、4、11所示。每一组顶撑-张拉装置由一个千斤顶撑杆1-2和两个花篮螺栓拉索1-1组成；千斤顶撑杆1-2由千斤顶21和钢管撑杆22套接而成，花篮螺栓拉索1-1由花篮螺栓19、螺纹钢筋23加焊钢筋计20而成，钢筋计20是现有产品，用于测量和控制构件的应力，是一种传感器，如图11所示。千斤顶撑杆1-2沿柱间轴线布置，花篮螺栓拉索1-2安装在柱间的两侧。顶撑-拉装置与节点钢套箍应有可靠的连接，千斤顶撑杆1-2和花篮螺栓拉索1-1需根据复位要求留有足够的操作行程。
[0024](8)楼层复位的操作。采用若干次循环的方式对各榀倾斜木柱架施加复位作用力，使其逐步恢复到预定位置并带动楼层整体复位。每次循环复位的顺序可根据各榀柱架的倾斜值确定，从大到小依次复位。本实施例采用三次循环的方式，复位作用力宜分级施加，每次复位量不宜超过该柱架目标复位值的1/3。考虑到木材的弹性回缩性能和顶撑-张拉装置的应力松弛，可取各柱架变形值的1.05-1.10倍作为其目标复位值。
[0025]具体操作方式如下:首先选择倾斜最大的一榀柱架施工，用千斤顶撑杆1-2对木柱架施加顶撑力，使一侧柱头复位达1/3目标复位值；再用两侧花篮螺栓拉索1-1施加张拉力，使另一侧柱头复位达1/3目标复位值。然后，依次对其余倾斜木柱架分别施加顶撑力和张拉力，完成全部倾斜木柱架的1/3复位。每一次循环复位完成后，间歇一天以增加柱架的变形稳定性，再按同样的方式进行下一次的循环复位操作，直至全部柱架恢复到预定的位置。
[0026](9)楼层复位后的紧固。待变形楼层复位至预定的位置后，保持各顶撑-张拉装置的作用力，采用木楔和垫块分别对梁柱节点和柱脚进行定位加固，以增强结构的复位稳定整体性能。
[0027](10)施工安全支撑的拆除。对复位楼层的梁柱构件和节点进行修缮加固后，可拆除全部施工安全钢支撑架。[0028](11)顶撑-张拉装置的后期处理。保持木塔复位稳定状态2-3年，在加强安全观测和监控的条件下，逐步松弛顶撑-张拉装置的作用力，直至完全卸除顶撑-张拉装置。在楼层内部使用空间和观光条件允许的情况下，也可将部分顶撑-张拉装置加以木质装潢，作为楼层结构的辅助支撑长期保留在建筑物中，以提高建筑物的整体刚度和抗震、抗风性倉泛。