原标题：编委特刊 李爱群教授团队：古建筑木构件开裂修复加固技术分析及展望
3. 北京建筑大学建筑结构与环境修复功能材料北京市重点实验室, 北京 100044
传统与现代修复加固技术的材料种类多、修复工艺特征不一，单一修复技术难以适配复杂开裂机理下木构件修复加固的多样性需求。同时，古建筑是有尊严的，它们蕴含着深厚的历史背景和文化和突出的建筑、艺术、科技及美学价值，古建筑中木构件开裂损伤的修复加固应以“整旧如旧”为前提。首先分析了木构件开裂影响因素及其对应的材性退化机理。其次，在古建筑木构件常见开裂形式、宽度深度和结构位置分析基础上，分类研究了传统和现代的古建筑木构件开裂修复加固技术，并进一步总结了木构件开裂修复加固技术的现状及问题。最后，从状态评估、技术协调、修复模式等方面对木构件开裂修复加固技术的未来发展趋势进行了展望探索。
木结构古建筑是中国重要的遗产类型之一，为了更好地保护这些中华民族乃至世界共同的文化遗产，使之延年益寿、流传于世，要一直地对古建筑来维护、保养及修缮[1-2]。可是，古建筑木构件在自身材性、环境变化和长期复杂荷载作用下易产生开裂，造成构件力学性能降低。如不正确使用，保养不妥，设计不周，施工不良，会使结构面临裂损、倾斜或过度变形等多种危险和病害而过早破坏[3]，进而造成建筑物的倒塌。调查表明，大量的现存古建筑木结构中出现较多开裂危害，如北京故宫、山西应县木塔、宁波保国寺大殿、山东聊城光岳楼等[4-8]。因此，针对这样的一种情况使用适当的修复加固技术及时地进行修缮保护，是中国传统建筑传承的重要一环。
目前古建筑修缮工程中对开裂残损的修复以传统修复加固技术为主，如太原晋祠圣母殿修缮、蓟县独乐寺修缮、朔州崇福寺弥陀殿修缮等[9-11]。传统的修缮技术是经时间检验、有利于建筑长期保存的成熟技术体系，其应用有着特定的时代性和实用性[12]。基于传统修缮技艺发展出的木构件开裂现代修复加固技术以材料和工艺创新为主要方向，可以某些特定的程度上弥补传统技术的不足[12]，但是现有修复加固技术并未最大限度地考虑到各类木构件开裂残损的复杂裂损成因，在修复理念和技术内容上尚不完善，阻碍了其在古建筑木构件开裂修复实践中的准确应用。故亟待开展对古建筑木构件开裂破坏机理的研究分析，并对现有木构件开裂修复加固技术进行全方面深化梳理，分析技术现状问题，进一步探索与展望未来发展趋势和研究重点，以推动古建筑木构件开裂修复加固技术的完善和发展。
中国古代建筑主要是采用木构架结构，木构架是屋顶和屋身部分的骨架，其基本做法是以立柱和横架组成构架[13]。当木构件发生开裂等残损时，构件原有的力学性能会下降，进而对古建筑的健康与稳定造成一定的影响甚至产生极大的隐患。
秦术杰等勘察了故宫博物院咸福宫同道堂的残损情况[4]，发现柱框层木柱、梁架层木枋、木梁、檩条等构件开裂较多；李德山等勘测了故宫大高玄殿的残损情况[5]，发现大高玄殿木构件开裂比例达 3.57%，木构件的开裂大多分布在在檩和枋；李泽中[8]对山东省聊城市东昌府区古城光岳楼残损状况做研究，发现楼内木梁、圆柱、各层额枋开裂严重(图 1)；梁毅对太原崇善寺大悲殿大木构架的木柱、梁架与斗栱等构件的残损情况做勘测[14]，发现多处主要承力构件出现较严重开裂(图 2)；郭佳琛对西藏自治区市某藏式宫殿建筑门厅现场勘测[15]，发现主要承重柱、梁和弓木多出现开裂情况；侯晓晓对赣西传统建筑宜春万载田下古城古建筑群木构件典型残损病害进行了研究[16]，发现常见的开裂构件有承托木构架的大梁、瓜柱下的川枋、木柱、挑手木等；任昆龙勘测了山西省陵川县小会岭二仙庙残损情况[17]，发现包括山门戏台、东西妆楼、廊房各大殿等梁架均有开裂现象；李江等对甘肃省永登县红城镇感恩寺碑亭进行残损勘测[18]，发现部分木柱有通长裂缝；淳庆等以江南典型宋元木构建筑宁波保国寺大殿和江南典型明清木构建筑甘熙故居津逮楼为研究对象[7,19-20]，发现承受大范围竖向荷载面积的木柱、跨度较大且承担荷载的梁，以及一些承担荷载且长细比较大的构件等存在大量安全风险隐患且损坏较为严重，迫切须要进行修缮。
在中国传统木构建筑中，木塔以其精巧的承力结构、稳定的受力形式、壮丽的外观造型等使其具备很高的历史价值、艺术价值和科学价值。但在长期的自然环境、地质灾害、结构荷载等因素的复合影响下，木塔主体承重和局部节点部位的木构件多发生开裂破坏，对木塔造成较大安全风险隐患。以应县木塔为例，薛建阳等对木塔内外槽圆柱、阑额和乳栿进行勘测[21]，发现各层阑额比乳栿挠曲严重；马栋[22]发现木塔二层斗栱和柱的残损较多，残损斗栱 23 个，占二层斗栱总数的 47.9%；24 根柱子残损，占二层柱子总数的 75%；王林安等梳理了木塔普拍枋和梁栿节点的残损[23]，发现木塔本体结构中残损最为严重的部位是普柏枋和梁栿节点，大多分布在在 4 层以下；李铁英等对木塔变形、残损和构件承载能力等方面做了勘测[24]，发现木柱多柱头径向开裂，柱身有较深顺身裂缝，柱底长榫折断及劈断。柱子残损分布下层严重，三层以上逐层减轻，四层以上残损较少，副阶柱也残损轻微；额枋的残损多为斗底压损、普拍枋端头撕裂等。其他构件如梁栿、地栿、承缘栿、递角栿、铺板枋都有残损(图 3)。
综上所述，木结构古建筑的主要构件中木柱、梁枋、檩椽、斗栱等均多发开裂残损，影响古建筑的健康与稳定。木柱较易开裂，开裂形式多为柱头、柱脚延长的长裂缝或通长裂缝，宽度和深度均较大；木梁顺纹横向开裂较多，宽度不大，但开裂长度和深度都较大；檩椽等构件开裂情况也较多，多伴有糟朽同时出现；斗栱部分开裂多出现在大斗和小斗上，部分木拱也易劈裂破损(表 1)。
木材是天然生成的建筑材料，具有一些天然缺陷[3]，受环境和荷载的长期作用，古建筑木构件极易发生开裂等残损现象。木构件开裂的成因较为复杂，主要可分为 4 个方面[25-27]：1)木材自身缺陷；2)长期荷载作用；3)自然环境变化；4)其他影响因素。在对已开裂木构件做修复加固前，明晰木构件开裂的成因，有助于提出有针对性的修复加固措施。
木构件多有斜纹、髓心、木节和涡纹等缺陷与疵病。当这些木材自身缺陷处于结构不利部位时，会给结构带来危害，会导致结构损裂而破坏；斜纹一般出现在树干处的表面，呈螺旋状木纹，沿径向向轴心逐渐减少；木节是木材中常见的一种疵病，木节的硬度比周围木材高，附近存在涡纹，其木纹方向与树干的木纹方向不一致，使得年轮产生局部弯曲，破坏了材质的均匀性，降低了木材的力学强度[3]；髓心一般位于树干中心，组织松软，强度低、易造成木材的开裂[26]。
长期复杂的荷载作用是古建木结构残损的主要原因之一，荷载来源包括两个部分：结构自重和外部荷载[25]。木结构古建筑的结构自重主要位于屋盖层和斗栱层，荷载从上层逐层传递至各层木构件上。木材在长期荷载作用下，随着时间的增加材料强度逐渐降低[28]，其蠕变特性会影响木材构件的正常使用，降低耐久性，直接涉及到木结构的使用安全性[29]。
中国是一个地震高发的国家，尽管木结构古建筑抗震性能优秀[30]，但震后遗留下的不同程度的结构损伤和变形会积累在木构件上[31]；风荷载作用因作用持续时间长、周期重现时间短等特点，也会对古建筑木结构产生较大程度的损伤[32]；此外，人群荷载的静力效应[33]也是古建筑木构件产生裂纹和裂缝的重要原因。
自然环境的变化包括温度、湿度、雨水和阳光等变化，这些因素对木材这种天然的生物材料均具有损伤效应[25]。温度和湿度的周期性变化会引起木材的胀缩，进而引发木材发生干裂、翘曲变形等缺陷[34-35]；古建筑木构件受到风雨侵蚀，或受不易挥发的潮湿水汽影响，会产生劈裂糟朽等病害[36]；辐射射线会对木材材性造成影响，使木材材性退化，增大开裂风险[26]。
除上述因素外，古建筑木构件还面临着化学因素损害、生物因素损害等其他木构件开裂的影响因素，造成木构件在长期服役的过程中性能退化，进而导致开裂。根据表 2 可知，木构件开裂影响因素不同，其开裂特征也不相同。
1)斜纹是木材的一种常见缺陷，斜纹的存在使木材的强度有着各向异性的特点，由于木材横纹方向的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度均低于顺纹方向，而斜纹使木纹与作用在构件中的力的方向偏斜，因此使木材的力学强度降低。
2)木节分为活节、死节、松软节、腐朽节等几种，木节使木材的顺纹抗拉强度显著降低，对顺纹抗压强度影响最小，木节与周围木质之间的结合很差，死节相当于截面削弱，且在削弱处产生应力集中，因此增加了木材的脆性，降低了木材的抗拉强度。
3)由于木节破坏了木材的正常组织，在木节附近木纹倾斜，产生了局部斜纹，即涡纹，因而也促使木材的强度更加降低；位于杆件截面边缘的木节(偏心木节)，比位于中间的影响更大。此时，由于截面削弱不对称，因而产生了附加弯矩，使截面应力增加，更易产生开裂[3,27,38]。
木材在长期荷载作用下的残余强度与木材的短期强度、所受应力和荷载作用时间有关，即反映木材持续强度的损伤累积模型[25,39]。木材在生长过程中，内部自然产生的微小裂纹，在长期荷载作用下，裂纹区会出现应力集中现象导致部分木纤维断裂[25]。如栌斗等构件在荷载作用下木纤维在横向发生切断、弯折、纤维分离、端头纤维撕裂等残损现象[40]。随着时间的推移，这种不可恢复的纤维断裂不断累积和加剧[25]，最终开裂破坏。木构件开裂削弱了木构件截面的受力截面面积，进而降低了木构件的承载力和整体稳定性[41]。
长期荷载作用下的木材蠕变还与应力水平、树种、温度、含水率、加荷时间、速率和应变幅值等有关[29]。当木材受到应力作用时，应变随着时间的延长逐渐增大，应变速率逐渐降低，此时木材中的纤维素分子链逐渐伸展/卷曲，分子链内部或分子链之间的氢键发生了断裂、滑移和重新连接，同时木材细胞壁能够在外力作用下相对于胞间层发生一定程度的剪切滑移，细胞壁主成分分子间产生滑移和相对位置的变化，进而产生不可逆变形[42-43]。反映在构件层面则产生开裂破坏，形成构件损伤。
环境温湿度的交替变化，与木材各方向明显不同的吸湿膨胀特征相结合，引起木构件不同部位上的应力不均匀分布发生周期性变化，进而引起材料疲劳、木材开裂和构件承载截面削弱等残损现象[25]。在环境温湿度变化的长期作用下，木材表层产生拉应力，而内层则产生压应力，当这两项应力和大于木材的横纹抗拉强度时，裂缝就会产生[44]。裂缝会对构件的强度产生负面影响，裂缝的位置、尺寸和形状将会造成结构安全隐患[35]。梁柱构件在环境湿度变化等因素作用下大多沿构件轴线方向发生了劈裂，此类裂缝会导致缝端应力集中并破坏裂缝两侧木材的共同工作性能，从而显著降低构件的承载力[45]，直接影响结构的受力性能；梁枋等构件开裂会进一步导致受弯构件的挠度发展；节点开裂可能导致节点构件间松动，进一步影响木结构的抗震性能，甚至局部倒塌[46]。
除以上导致木构件开裂的主要原因外，金属、气体、酸碱等化学因素以及真菌、霉菌等生物因素也会在复杂的作用机理下导致木构件的开裂[26]。
金属与木材之间的影响往往是相互的，如果木材半干或十分潮湿，与之接触的金属会遭到锈蚀，同时木材变深，甚至变为黑褐色，在长时间接触后，由于金属锈蚀产物使多糖(特别是木聚糖)分解[26]，木材抗拉强度降低，易造成开裂。
各类气体在木材上的吸附性较强，氨气浓度在 20%~30%时，与木材紧密结合，使木材膨胀并迅速增塑，木材的抗弯强度和弹性模量增高；木材能使 40%~50%的二氧化硫固定在木材中，这些二氧化硫由于水解作用形成酸，酸使多糖强烈分解，在高含水率和长时间作用下使木材抗弯强度降低；木材对氯化氢吸着速度较慢，氯化氢生成酸，在水解作用下，使多糖和木质素强烈分解，木材强度明显降低[26]，形成易开裂的不利因素。
各类木腐菌、变色菌、霉菌、细菌等，通过酶分解木材的多糖，使以多糖为主要成分的纤维素和半纤维素降解，导致木构件表面发生粉化，使其不再具有坚挺结实的原木特征，周围环境中的扩张侵蚀会造成木构件的有效承载面积随时间减小，引起构件承载能力和耐久性的降低[25]，进而引发开裂，使木材呈环状、大理石状或是横纵向均产生裂纹，成为典型的方块形破裂(称为龟裂)，龟裂木材的密度和强度明显降低[26]。
中国古代十分重视建筑的维修和利废，对古迹修复秉持了“朽者新之，废者兴之，残者成之”的坦然态度。如李德裕的“譬诸日月，虽终古常见而光景常新，此所以为灵物也”，因在建筑修复中重在“原式”的传承，而非“原物”的永恒[47]，更关注法式之永续。“修葺原物之风，远不及重建之盛；历代增修拆建，素不重原物之保存，唯珍其旧址及其创建年代而已……则古来确甚着意于巩固永保之观念……”[48]正如梁思成先生所说：“以往的重修，其唯一的目标，在将以破敞的庙庭，恢复为富丽堂皇，工坚料实的殿字，若能拆去旧屋，另建新殿，在当时更是颂为无上的功业或美德。”[49]
古代工匠在营建中多遵循“有定法而无定式”之要，如李诫的“变造用材制度”，区别于元祐法式“只是料状，别无变造用材制度”，“只是一定之法，及有营造位置尽皆不同，临时不可考据，徒为空文，难以行用”[50]。严格的用材制度结合“变造”的规律，给与工匠“随宜加减”的原则，使得工匠在营建修复中依据实际情况灵活操作，以工程作法、技术变化的规律为建筑文化之核心传承至今[51]。直至明清后，更多转变为修旧而非建新的观念，如清代岳州知府吕恩湛在《重修岳阳楼记》中明确提出了“因旧为新”的修复观[47]。
时至近现代，随着《奈良原真性文件》和《曲阜宣言》的发表，区别于西方原真性的东方古建筑修复理念逐渐成型，梁思成先生“整旧如旧”的理念[49]再次得到了丰富和拓展。如《曲阜宣言》提出：文物古建筑的保护不仅要保护文物本身，还要保护传统材料和传统技术[52]。文物古建筑的保护不能仅局限于建筑物本身，传统材料、传统工艺、传统做法等基本要素同样需要得到重视。同时，新时期的文物保护理念也上升到了法律保护的高度，以《中华人民共和国文物保护法》为重要体现。以至“整旧如旧”[53]的古建筑修复加固理念在近现代时期的古意演进。
在中国传统木构建筑修缮技术中，对木构件的修复加固是最基本和最普遍的形式[54]。选择恰当的修复加固技术，须有效排除致损成因、修复损伤变形构件、保障结构安全[55]，并综合考虑修复条件、干预程度、技术可行等方面的因素。针对确须修复加固的开裂木构件，首先对开裂裂缝进行楦补或嵌补，其次在楦补基础上对开裂构件进行打箍等补强加固措施，还可以采用临时或永久的支顶等措施[56]。
当古建筑木构件产生的裂缝不大，或对构件力学性能影响不大时，对裂缝的修复主要以填补完型和恢复受力截面为主。传统木构建筑修缮技术中可采用腻子勾抹或木条嵌补进行修整[54-55]。
使用腻子灰填补木构件裂缝在中国古建筑的制作和修缮中多为常见，材料的使用上较为多样，须使用到桐油、土籽面、樟丹、苏籽油、陀僧、石灰、面粉、猪血、砖灰、生漆等众多材料，制成捉缝灰、靠骨灰、生漆瓦灰腻子[57]、猪血老粉腻子、桐油厚漆腻子[58]等嵌缝填补腻子，或混合木屑与木工胶[59-60]等用于木材开裂的勾抹填充。
地仗工艺，施于古建筑木构件表面，能够隔绝阳光、风雨的侵蚀，并且防腐、防裂、防虫蛀等，从而延长木构件使用寿命[61]。与油、漆共同作用，还可以起到防潮、隔火、缓解胀缩的作用[62]。除可以填补木缺陷外[63]，在地仗中添加麻或布，可以起到防震防裂的作用[56]，从而对木构件起到保护作用。没有地仗层的保护，建筑木构件易发生糟朽及崩裂；因木材各向异性胀缩的本质，在气温强烈变化时，木材会吸收或是蒸发水分发生缩胀，导致木材结构中形成巨大的机械力量[64]，进而导致开裂破坏。因此，在对木构件裂缝使用腻子填充后，还可以对木构件进行披麻刮灰的基层地仗处理，可以起到防潮、隔火、缓解胀缩、拉结防裂的作用[65]。
当裂缝较宽时，应用木条或竹片对裂缝进行嵌补[13]。嵌补的木条最好选用顺纹通长的，或老旧的硬木料制成[66]。但是传统嵌补法的目的主要是恢复木构件受力截面，嵌补后木构件相当于由两部分组成，受力性能不如原木[54]。
当木构件开裂裂缝较大，仅使用嵌补修复不足以恢复和保证开裂段的构件性能时，须要在嵌补填充的基础上，进行打箍加固[54-55]。
针对开裂木构件的打箍加固，主要是防止进一步的开裂和风化面积的扩大，同时恢复或提高构件的自身刚度和强度[67]。木柱的打箍加固，又分明箍和暗箍。在建筑装饰性强的环境中，明箍可考虑打制成有线脚的艺术构件，与环境协调。暗箍是指在柱上开槽，将铁箍卧在柱内，以便在柱表面做油饰处理。针对开裂木梁，当梁的水平裂缝深度较深时，须要在嵌补修复的基础上，再用两道以上铁箍或钢箍箍紧[56]。铁箍的尺寸依据木梁的截面尺寸以及受力状况进行恰当的选择。檩条遇有折断情况或裂缝贯穿上下时，可加 1~2 道铁箍钉牢(图 4)。细微裂缝可留待油饰断白时处理。角梁部分由于其所处的位置最易受风雨侵蚀，极易出现梁尾劈裂等开裂现象，在对开裂部位灌浆粘牢后，须要在开裂段加铁箍一道(图 5)，以加强老角梁和仔角梁的连接，或在梁尾部用铁件包住梁尾，延长至檩外皮等方式进行加固[56](图 5)。
此外，古建筑木结构中的额枋、承椽枋、椽条等构件也常出现开裂等残损，修复方式与以上修复方式相同，可根据需要，结合具体残损状态，进行针对性的修复加固。
古建筑木结构构件如因发生开裂或其他残损伤害安，全已有难潜以在承的担危构害件时本身承担的荷载，对建筑物整体，须立即采取抢救性措施，将残损构件通过支顶保护起来，再在此基础上进行后续的修复加固[3]。
支顶加固时，应认真仔细分析残毁险情，判断可能涉及的范围和程度，选择适当的加固方法[13]。梁枋折断严重时，应用杆件直接顶在最危险部位；主梁发生开裂折断甚至弯垂时，可在大梁开裂折断处的底皮或是弯垂最大的部位支顶木柱，也可用加砌砖隔墙或木隔扇的新法来顶住梁底(图 6)；如开裂发生在上层梁架，如在七架梁上的五架梁开裂或拔榫，用短柱支在七架梁上即可；木柱开裂时，木柱刚度发生变化，易造成失稳、歪闪、承托斗栱下沉等情况，可在面对歪闪方向进行支撑，同时应注意支顶构件头部和支顶构件底部的牢固以及支顶杆件的细长比和支顶斜度；当木柱歪闪造成其上梁枋脱榫时，可使用铁把锔牵拉加固；当承托斗栱下沉时，可在柱的里侧大梁头的底皮和斗栱正面第一跳翘头处各加一根顶柱，以减轻柱本身的荷载(图 7)；当角梁发生开裂裂损时，易发生翼角下沉现象，可在角梁端部的底皮临时顶柱支撑；檩条开裂折断时，开裂处可采用附加小檩的办法，紧靠开裂檩的上下附加圆木以承托上下椽子，如开裂处靠近两端，也可附加斜撑进行支顶加固，斜撑两头可锯作斜面，以增加接触面[13,55-56,66](图 8)。
中国传统的建筑修缮技艺根植于中国传统建筑文化，是一代代哲匠在实践与探索中逐步归纳总结出的经验方法，它既在修缮的过程中努力保护着古建筑的原材料、工艺、设计和它所反映的历史、文化等相关信息，同时修缮技艺自身也作为一种非物质文化融入到中国传统建筑文化之中。但是，随着建筑遗产保护修复理念的深入与修复加固技术的发展，传统的古建筑木结构修缮方法已不完全满足如今对文物修复更加严肃的要求。如铁箍、铁片或锻铁等打箍材料，尽管可以有效提高木结构古建筑的承载力及刚度，但是也存在着诸多问题，如紧固件发生变形与生锈、铁件对木构件造成破坏、需要“二次加固”等，这些方法或对构件携带的历史信息有所扰动，或对构件加固补强的效果不足[68]，因此需要根据构件损伤的不同谨慎选择使用并加以完善。
古建筑木构件的修复应尽量保存本体各历史时期有价值的结构、构件痕迹[69]，以及使木材料构件继续在建筑物中作为一个承重结构的构件[70]。为实现这一保护目标，针对木构件开裂的现代修复加固技术从材料和修复工艺上进行了多种类的交互比选。目前木构件开裂修复的技术方向主要有：化学材料填补修复法、金属材料补强加固法、FRP 材料补强加固法等。
化学材料填补加固法主要是通过多种类的填充材料，对裂缝本身进行嵌补填补，在恢复构件受力截面的同时，对构件整体起到一定的加固作用。研究方向主要有填充材料的材料比选和裂缝嵌补填充的工艺研究。
除使用传统修补填充材料外，随着材料科学和修复工艺的进步，当前古建筑修缮领域，也尝试使用多种化学材料对裂缝进行修补。目前对裂缝修补的填料研究主要以树脂基材为主，如周乾等使用聚酯树脂对古建木构件修复加固[54]，薛玉宝使用环氧树脂等灌注修复古建筑劈裂木构件[71]等。尽管树脂材料自身有着较好的材料性能，但在其与木材的协同工作中，由于材性的不同，使用树脂材料对木构件修复加固的效果存在一定的局限性。
国内外试图通过结合几种类型的微米、纳米尺寸的填料，如各种金属、陶瓷、聚合物和碳基填料等来增强环氧树脂的摩擦学性能，进而在木构件加固中能够有更好的性能匹配[72]。如 De Carvalho 等基于石英颗粒增强的环氧聚合物进行了试验[73]，对木梁在原始状态和有缺陷状态下的修复效果进行了评估；马红亮等尝试将杨木纤维(PWF)与环氧树脂结合制备 PWF 增强环氧树脂(PWF/E51)复合材料[74-75]，增强其力学性能；蒋彩等评述了碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)对连续纤维增强树脂基复合材料性能的影响[76]，介绍了 CNTs 聚集体改性连续纤维增强树脂基复合材料层间性能的最新研究进展等。除树脂材料外，如低弹模聚氨酯弹性材料[77]、形状记忆合金嵌入树脂的智能复合材料[78]等也有一些作为嵌缝材料的研究(图 9)。
在裂缝嵌补填充的工艺研究方面，也出现了多种裂缝修复的灌注方法。如在做好裂缝清洁后，对裂缝做好完全密封，通过预留关口通过注射枪的喷嘴压力注入填充材料的注入法[59]；针对劈裂深度较大的开裂，填充骨料、分层灌注的分层法[71]；制备修补件，通过真空泵压的方式灌注化学灌浆料的抗裂防渗修复一体化施工方法[79]，以及灌胶加固[80]、薄膜封装树脂砾石填充[57]等，此外，灌注修复中的施工工艺、施工环境、施工组织等都是树脂材料修复加固过程中需要注意的关键事项[81]。
使用化学材料对开裂裂缝的修补根据填料的不同多兼具防火、防腐蚀、防虫蛀等效果，且对构件整体有一定的加固补强作用。但是，目前使用的化学材料修复加固大多具有不可逆性，随着时间的增长，加固材性发生变化，会有变黄、材性变弱的情况出现。另外化学修补材料与木材的天然植物纤维界面相容性差等局限性，制约了其在木构件开裂修复中的应用。
金属材料因其优秀的自身性能，在木构件加固中有着悠久的加固历史[82-83]。通过对我国古建筑木结构工程中普遍采用的金属材料加固技术的归纳分析，发现传统使用的铁件修复加固存在变形、生锈、对木构件二次破坏等问题，但也可有效提高古建筑木结构的承载能力和刚度。采取合理的金属材料加固方式或者探索使用新的加固材料，将实现木结构有效保护[82]。
使用金属材料对开裂木构件做修复加固的目的：一是阻止或延缓裂缝的发展，二是提高木构件承载能力、刚度等力学性能。常用的金属材料包括工字钢[40]、钢丝绳[84]、钢筋[85]、金属型材[86-87]、钢绞线]、钉板等[91]。加固方式主要有外部包裹绑扎、内部拉接夹压、外贴补强加固，内嵌补强加固等方法。
外部包裹绑扎通过在木构件外部对开裂位置进行约束，从而抵抗构件内部垂直于木纤维的拉应力，以阻止或延缓裂缝继续开裂。薛建阳等使用扁钢和弧形钢板加固残损榫卯节点[88]，发现铁件加固残损榫卯节点的破坏形态多为木材局部挤压和马口铁的拔出，弧形钢板和扁钢加固破坏形态多为嵌固螺钉的拔出；杨勇等用预应力钢带从外侧包裹开裂木柱[92]，发现调整钢带布置间距和层数加固后，木柱承载力提高 10%~30%。
内部拉接夹压在木构件中使用贯穿螺栓、锚栓或自攻螺丝，进入构件内部以连接开裂段木材，其拉接力可由两端栓头或内部螺纹提供。吴亚杰等用自攻螺丝修复纵向开裂木柱[93]，发现自攻螺丝能够拉结裂缝两侧的木材，使其在荷载作用下协同变形、共同承载直至构件发生弯曲破坏，自攻螺丝修复后木柱轴压和偏压承载力的修复系数分别达到了 80.7%和 162.3%；鲍子虞分别使用钢带、贯穿螺栓和碳纤维复合木板对贯穿纵向干裂裂缝的裂损木梁进行修复加固[94]，发现这些加固方法可以延缓裂缝的发展，但不能有效地提高裂损木梁的抗滑移能力和承载能力。
外贴补强加固是将金属补强件通过环氧胶粘剂粘接或通过螺栓等机械连接方法贴附在木构件近表面，在对木构件开裂进行修复的同时，起到一定的加固补强作用。张伟翔使用预应力高强钢丝绳技术加固木梁[85]，加固后木梁承载力提高幅度达 50%~60%；杨勇等通过在木梁两侧粘贴钢板，膨胀螺栓固定，并在木梁底部粘贴 CFRP 复合木板[95]，发现加固木梁在荷载作用下纵向裂缝发展较小，承载能力提高 90%~161%，刚度提高 98%~152%；许清风等发现经钢板外贴加固后的木梁承载力提高幅度为 16%~79%，初始弯曲刚度提高幅度为 21%~38%[96]，申继红等使用类似的方法，发现铆钉加固比螺栓加固效果更好[97]；Bashandy 等使用钢板、碳纤维材料和玻璃纤维材料对木悬臂梁进行近表面修复[98]，发现钢板修复效果较好，承载力提升明显且挠度较小，具有较高的效率性和实用性，外部粘贴比近表面开槽加固效果更好，但对构件的外观视觉影响较大(图 10)；Shu 等使用厚度不同的铝板、螺钉、胶粘剂加固木梁[99]，发现铝板加固梁的初始抗弯刚度平均提高了 55%，极限抗弯承载力平均提高 30%；Gattesco 等使用钉板和碳纤维布修复历史建筑中的木地板[91]，测试表明强化地板的刚度比原始木地板提高了 40~50倍；陈菁等提出了一种针对传统木构民居残损断梁的抱箍拉索原位加固技术[100]，在木梁两端包裹薄钢板形成紧箍力，预应力钢丝绳卡进锚具刀口内形成可靠锚固，加固木梁的挠度下降了 50%~60%；承载能力提高了 55%~60%，且施工难度较小，具备可逆性(图 11)。
内嵌补强加固是将补强材料通过近表面开槽或内部钻孔等方式嵌入到木构件中，使用胶粘剂、贯穿螺栓或方头螺钉等方式固定，从而增强木构件承载力。周年强等[101]在梁底部开槽并布设螺纹钢筋(HRB335)和粘贴碳纤维布对受损梁构件进行加固，联合加固时刚度提高 28%，强度提高 53%；Metelli 等在木梁下内嵌开槽植入钢板，并经历了 14 年长期观测[102]，证实了该加固技术的有效性(图 12)；Akbiyik 等使用六角螺栓、拉力螺钉、胶合板和玻璃纤维侧板对水平开裂的木梁进行修复加固[103]，发现构件抗剪能力平均提高 62%，对于损伤程度较高的纵梁，使用玻璃纤维侧板加固是较有效的修复方法(图 13)。
a—木梁及修复槽口横截面;b—单槽口修复详图;c—带有纵向胶合钢板的构件表面。
纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastics，简称 FRP)具有强度高、密度小、抗疲劳、耐腐蚀等特性，也适合通过胶粘剂粘贴在结构外部或内部以提高构件承载力。
FRP 材料的类型比较多，包括碳纤维(CFRP)、芳纶纤维(AFRP)、玻璃纤维(GFRP)、玄武岩纤维(BFRP)和钢纤维(SFRP)等纤维增强复合材料都在木构件修复加固领域得到了一定的应用。CFRP 和 GFRP 应用较早，CFRP 材料具有较高的强度和刚度的特性，并且根据未加固梁的特性加固强度和刚度可以达到 100%以上，在木结构修复加固领域的研究相对成熟[104-107]。GFRP 材料以其较好的经济性多用于修复较低等级的木材，但对构件刚度的增加有限[108-109]。BFRP 在耐高温性、化学稳定性、耐腐蚀性、隔热性、绝缘性等方面具有优良的特性[110]。SFRP 增强的木构件在延展性方面有显著的性能提升，但在刚度方面的改善不明显[84]。此外，亚麻纤维(FFRP)近些年也在木结构修复加固领域中出现[111-113]，但针对开裂木构件的研究较少。
类似于金属材料，FRP 材料在对木构件开裂的修复加固中主要起到补强材料的作用，通过FRP 布材、板材、筋材等形式，采用外部粘贴和内部嵌固的方式对受损木构件进行加固。
FRP 材料通过胶粘剂粘贴在木构件外表面，可起到阻止开裂木构件裂缝发展和对木构件补强加固的作用。外部粘贴的方式主要有包裹环绕粘贴、沿构件通长方向粘贴等。其中，木梁因受开裂影响较大，外部粘贴 FRP 修复加固的研究较多。宋彧等[114]使用玄武岩纤维布环向包裹粘贴受损圆截面木梁，发现粘贴三层玄武岩纤维布时，木梁延性增大了 100%以上，但是对构件承载能力的提升效果一般；吴郦威等使用碳纤维布环向包裹粘贴加固纵向贯穿裂缝简支矩形截面木梁[115]，发现在木梁受拉侧沿轴向粘贴碳纤维布的加固效果更加显著；王婧在开裂木梁外侧包裹缠绕和受拉区粘贴玄武岩纤维布[116]，发现纵向粘贴与环箍配合使用的加固效果优于只粘纵向或只环箍；袁书成等采取外部缠绕碳纤维布和梁底受拉侧粘贴碳纤维布的方式修复损伤木梁[117]，试验结果表明，碳纤维布能有效提高梁极限承载力，提高幅度可达到 25.2%；淳庆等发现经碳纤维布粘贴加固后，开裂松木梁抗弯承载力提高 12.9%~34.5%，使用 3 层或 4 层碳纤维布加固更为合理[118]；张露等发现木梁受拉区有木节时，在底部 2 层碳纤维布的加固效果优于 1 层，受压区存在缺陷时，碳纤维布加固效果不显著[119]。Arriaga 等使用 GFRP 黏合的刚性板修复劣化的木梁端部[120]，并分析了温度(-20~50℃)和含水量(9%~30%)变化的影响，试验表明：加固效果显著，但温度循环变化导致木材含水量减少，加固后的机械性能平均降低 79%，呈显著负面影响(图 14)。
除使用传统纤维片材、板材的外贴修复加固外，还有 FRP 外贴材料研究。Zhang 等[121]组合多种纤维增强聚合物片材外贴修复木梁，发现碳纤维∶芳纶∶玻璃纤维=2∶1∶1纤维比的单向纤维板一层可以提高木梁的极限挠度 69.2%~115.4%；AL-Fasih等使用间断式玻璃纤维材料对木梁进行抗剪加固[122]，发现倾斜侧面粘贴和完全缠绕方案分别比垂直粘贴和局部包裹方案获得了更高的强度；Mosallam 将碳纤维布与树脂材料加工为湿叠层层压板和蜂窝夹芯板[123]，发现外贴复合蜂窝夹芯板修复效果较好，承载力提高 30%以上；Corradi 等使用玻璃纤维材料通过挤压成型制成工字形补强件[124]，使用胶粘剂和螺钉固定在梁上侧，发现该种加固方式在可逆性、有效性、非侵入性、化学稳定性和加固类型的兼容性方面具有积极的特点，加固后的木梁在强度、刚度和延展性方面的性能显著增加。
裂损木柱外贴 FRP 材料的修复加固方式多为包裹环绕粘贴，加固目的主要是阻止已开裂木柱裂缝的继续发展、提高木柱整体刚度、增强木柱抵抗轴压和压弯的性能。李浪等采用不同的包裹缠绕方式修复木节处截断开裂的木柱[125]，极限承载力和抗压刚度有所提升，能基本接近无木节的普通木柱；朱雷等粘贴不同层数的碳纤维布加固贯穿裂缝的短方木柱[126]，发现水平粘贴碳纤维布可以使构件截面受力区域均匀；刘成伟等使用灌胶和玄武岩纤维布缠绕粘贴的方式修复加固村镇住宅开裂受损木柱[127]，发现嵌补-灌胶修复木柱的抗压强度提高约 20%，同时使用玄武岩纤维布加固的抗压强度提高 15%，组合使用下加固效果较好；汤红永同时采用碳纤维布、玻璃纤维布、玄武岩纤维布等材料对木柱环绕加固[128]，发现未嵌补裂缝仅使用纤维布修复效果劣于只嵌补未约束加固，对裂缝嵌补后包裹纤维布，承载力得到有效恢复和提高；李向民等用不同粘贴方式的碳纤维布和角钢加固旧木柱[129]，发现粘贴 CFRP 布加固后受压承载力提高 9.2%~26.6%，延性系数提高 27.9%~60.5%，角部粘贴角钢并用 CFRP 包裹后的受压承载力提高 68.0%，延性系数提高 64.8%；Rescalvo 等在木梁的张力侧外贴碳层压条和不连续地包裹碳纤维布[130]，发现残损木梁的抗弯承载能力不仅恢复，且比未残损梁提高 70%；Chen 等使用竹片、碳纤维布或木钉加固木梁[131]，梁的极限承载力增加了 20%~70%，截面刚度增加了 40%~160% (图 15)。
内部嵌固修复加固是在木构件上通过开槽、钻孔等方式，将 FRP 材料通过胶粘剂植入固定在木构件内部，以起到木构件隐蔽修复加固的效果。朱兆阳等在梁底部开槽嵌入 FRP 板材[132]，发现玻璃纤维板的加固性能优于碳纤维板，开槽长度越长，试件的抗弯力学性能提高越显著；许清风等使用环绕包裹碳纤维布和内嵌碳纤维筋的方式修复旧木梁的老化损伤和端部腐朽[133]，发现内嵌碳纤维筋加固老化旧木梁不仅可明显提高其受弯承载力，在长期荷载作用下的性能也有所保持[134]；Dewey 等采用碳纤维增强聚合物和玻璃纤维增强聚合物复合材料嵌入式修复加固铁路桥圆形开裂木梁[135]，发现加固后挠度减少了 30%，弯曲刚度提高了 30%(图 16)；Raftery 等使用玄武岩纤维筋材置于梁底的圆形凹槽中加固受损胶合木梁[136]，发现 1.4%的加固配筋比下刚度分别提高了 8.4%和 10.3%，极限弯矩能力平均提高了 23%。秦国鹏等采用配筋环氧砂浆等强度置换木梁受损伤区域来修复旧木梁[137]，在梁跨中受损区域开槽，在受拉区内布置玻璃纤维筋，并用环氧树脂拌和石灰砂浆填注木槽空隙，试验显示其承载力和延性都有显著提高；Ye 等对比碳纤维外贴板材、碳纤维筋和钢筋内嵌修复加固木梁搭接头的性能改善效果[138]，试验发现，碳纤维板材的加固效果优于碳纤维筋和钢筋。
针对古建筑木构件的开裂破坏，除在裂缝出现后采取一定的修复加固措施外，也可在木构件尚未出现裂缝前，采取一定的技术手段，对木构件进行预处理，使木构件开裂对建筑结构的影响降到最低。
在古建筑传统施工做法中，修换木结构时，为预防由于木材开裂而对结构构成危害或隐患，会采取一定的防裂措施，如严格选料、干燥处理[139]等。也有一些构造上的措施可以有效防止木构件开裂，如对于髓心位于横截面内的木材，可在表面锯出纵向槽口，在减少干缩裂缝或防止其扩展上具有一定的效果[3]。
在现代技术研究中，基于预防性保护理念的木构件防裂研究也取得了一定的进展。如使用组钉板安装在木构件端部预防开裂的机械固定法[140]，以聚氨酯预聚体[141]、硬制防裂剂[142]、改性蜡油[143]等材料涂抹在木构件端部预防开裂的表明涂覆法，以有机硅[144]、甲基三甲氧基硅烷[145]、六甲基二硅氧烷[146]、乳糖醇和海藻糖混合水溶液[147]等通过倾注或浸渍提高木材的疏水性，间接防止木材开裂的改性法等。其中代表性的如周坤朋使用正硅酸乙酯和甲基三乙氧基硅烷混合通过溶胶凝胶法形成无机溶胶，再引入聚乙烯醇形成有机-无机混合溶胶，对木构件进行了浸渍修复[148]，提升构件的疏水性、热稳定性和材料力学性能，通过增强木材自身骨架结构达到减少裂纹的作用，间接防止木材开裂，同时探究了对木构糟朽的修复效果。
1)中国传统木结构建筑多有木构件开裂残损现象，对古建筑长期稳定与健康造成影响。木构件开裂的影响因素与开裂机理较为复杂，在木材自身缺陷、长期荷载作用及自然环境变化等多重影响因素复合影响下，木构件开裂机理与特征差异性较大，难以快速判断出具体开裂原因及预测裂缝发展。在对已开裂木构件进行修复加固前，明晰木构件开裂的影响因素与开裂机理，对木构件进行恰当的状态评估及残损检测，有助于提出有明确的目的性的修复加固措施。
2)木构件开裂形式、宽度和深度与其在结构体系中的位置密切相关。古建筑主要木构件如木柱、梁枋、檩椽、斗栱等均多发开裂残损，木柱开裂形式多为柱头或柱脚延长的长裂缝；木梁顺位横向开裂较多；檩椽等构件开裂多同时伴有糟朽；斗栱开裂多出现在大斗小斗上，部分木拱也有劈裂破损。木塔下层木构件尤其以各梁栿节点、柱头节点和斗栱节点的开裂更为明显。
3)传统木构件开裂修复加固技术主要基于中国传统修复加固理念与用材特点，在对木构件裂缝的嵌补填充、防裂加固与支顶防护等方面具有不可替代性。随着建筑遗产保护修复的理念的深入与修复加固技术的发展，对木构件开裂修复材料和工艺创新中的可逆性、有效性、非侵入性、化学稳定性和加固类型的兼容性等方面提出了新的要求。
4)现代木构件开裂修复加固技术以材料和工艺创新为主要方向，可以某些特定的程度上弥补传统技术的不足，但也存在需持续探索解决的问题：
a.化学材料填补修复的优势在于具备耐火、防腐、防虫蛀等性能，同时可以匹配不同裂缝修复的需求选择修复材料与工艺。树脂基材料是当下研究的重点，不同填料可以适配裂缝修复的具体需求，但有着长期性能退化和可逆性差的局限性，聚氨酯和记忆合金材料作为嵌缝材料需要进一步深入研究。工艺创新方面，结合裂缝状态评估，灵活调整填充工艺和便捷施工是当前实践中需考虑的重要方向。
b.金属材料修复裂损木构件历史悠久，材料种类多样，修复方式涵盖多种木构件开裂形式，在木构件端部开裂、中段开裂、断层开裂、局部微开裂及预防开裂等各方面均有研究，且面向未开裂木构件的预防性加固与老旧木构件的补强加固也有成果。但现有修复加固方向多是发展金属-木组合构件，与中国传统木构建筑的保护与修缮理念有所出入，难以做到原材料原工艺的原真性保护，对构件本体和携带信息有一定扰动。
c.FRP 材料是性质优良的新型复合材料，材料性能高强轻质，能够改善木构件的机械性能和耐候性等。在修复加固位置的限制较小，可灵活运用在各类节点、构件端部、斗栱构件等部位，施工方式较为便捷，还可与传统修缮技术中的地仗组合使用。但其长期蠕变下的性能退化机理以及具备可逆性的工艺创新研究尚不完善。
1)结合木构件开裂状态评估，加强修复加固技术的适用性研究。现代木构件开裂修复加固技术是在古建筑传统修缮技艺基础上进行改进，但在实际的修缮工程应用中仍存在一些弊端。如在同类型木构件的修复上，修复方式比较单一，难以做到结合复杂开裂机理的有针对性的保护修复。技术的选择应结合具体的开裂状况、成本、环境条件来确定，基于木构件开裂状态评估，综合开裂的位置、病害原因、开裂程度、构件性能保存、构件整体性能等要素，灵活调整修复策略，适当安排嵌补填充、嵌入或外贴补强加固等有序衔接的修复方式，加强木构件开裂修复加固技术的适应性改进。
2)充分结合各类修复材料与工艺的技术特色，积极探索多种修复加固技术的联合应用。对于木构古建筑的修复加固，单一修复材料与技术难以适配复杂开裂机理下的木构件多样性修复需求。须多种修复材料、技术工艺的协同配合使用，以便更好地对木构古建筑进行保护修复。诸如传统木条嵌补仅可对裂缝起到填充作用，外附补强加固会对木构件外观造成较大影响，化学材料填充又面临着修复可逆性和长期性能退化的问题。可将嵌补木条作为套筒，内嵌补强材料，配合性能合适的化学材料嵌补至裂缝中，多种技术组合可在最大程度上保证原材料的统一性，保护木构件原真性、完整性的同时提升构件力学性能，延长构件工作年限。因此，应积极探索多种修复加固技术的联合协调应用，以丰富木构件开裂修复加固技术手段，更好地满足各类外观和不同开裂程度的木构件修复需求。
3)深入探索原材料可持续利用和新材料创新运用的修复模式，实现开裂损伤构件的原位无损修复。中国传统建筑修缮技术以“补全换新”为主，但并未脱离对木材原材料的原真性要求。在传统工艺和理念的基础上探索木构件创新修复加固技术，应积极推动传统修复原材料的可持续利用，在对木材性能和开裂机理的深入研究中，基于新材料、新技术的可持续化、专业化应用，实现损伤构件的原位无损修复。在材料上加强纤维复合材料与木材结合的组合修复材料，在技术上探索无损植芯、复合嵌补等修复加固方式，在修复巩固材料与技术的合理、科学使用中实现木结构古建筑的永续留存。
4)“整旧如旧”修复理念下的木构件预防性保护技术和原位无损/微损修复技术亟待拓展。现有木构件修复加固技术主要基于传统修复技术发展而来，铁活应用、支顶加固等修复方式使传统木构建筑材质上的特殊性——木构件的韧性和柔性节点等特点被弱化和忽视。应拓展“整旧如旧”修复理念下的木构件预防性保护技术和原位无损/微损修复技术，如木构件的提前定向预开裂技术，避免木构件长时间服役过程中呈现不规律状裂痕，提高木构件的安全性、稳定性，还可以有效的预防因裂纹、裂痕破坏古建筑木构件的结构作用和装扮修饰的效果。又如 FRP 短纤维浆料填缝修复技术、内嵌预应力植筋加固技术等，对木构件开裂修复时不对构件本体有过大扰动，在充分保留木构件文物价值和信息的基础上，尊重木构建筑蕴含的艺术、科学价值，使木结构古建筑有尊严的“带病延年”。
5)应重视开裂木构件修复加固后的长期性能退化机理和外部环境作用机制研究。已有试验结论大多分布在在修复方式对木构件性能提升效果的探讨上，缺乏古建筑木构件在长期实际服役环境下性能退化的监测和研究。古建筑修缮对木构件安全稳定的长期性能有较高要求。有必要结合古建筑木结构实际服役环境中的复杂参数变化进行木构件修复加固后长期性能退化机制的系统性研究，为古建筑木结构的安全和可靠性提升提供修缮设计基础。
引用格式：刘宏超,邬樱,李爱群,等.古建筑木构件开裂修复加固技术分析及展望[J].工业建筑,2023,53(9):29-44.
《工业建筑》（CN 11-2068/TU，ISSN 1000-8993）创刊于1964年，是一本由中冶建筑研究总院有限公司（原冶金工业部建筑研究总院）主办，《工业建筑》杂志社有限公司出版发行的国家级科技期刊。《工业建筑》报道方向涵盖了土木建筑领域的主要学科，包括建筑学、建筑结构、岩土工程与地基基础、建筑材料、建筑施工五大专业。报道方向始终围绕通过对新型建筑思想和理念，新材料、新结构、新工法的介绍，力求能在建筑技术方针政策和技术发展趋向上具有指导性，为生产建设中重大技术问题的解决提供帮助，以促进土木建筑领域的技术创新和进步。
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