纖維增強復合材料加固木結(jié)構(gòu)研究

于毅等

摘 要：中國古建筑以木結(jié)構(gòu)為主，對其進行維修加固是一項非常重要的工作。由于木材彈性模量低、徐變大、易老化變形等特點，在自然作用（雨、雪侵蝕或微生物破壞）或外力（地震和臺風）作用下容易造成損壞，因此有必要及時進行維修加固。該文總結(jié)了國內(nèi)外利用纖維增強復合材料對木結(jié)構(gòu)殘損節(jié)點、梁、柱、木墻、板加固的研究進展和案例，指出纖維增強復合材料加固木結(jié)構(gòu)技術(shù)具有廣闊的應用前景，研究纖維增強復合材料加固木結(jié)構(gòu)技術(shù)對工程實踐有重要的意義。

關(guān)鍵詞：纖維增強復合材料 木結(jié)構(gòu) 加固 建筑

中圖分類號：TU52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（c）-0049-03

木結(jié)構(gòu)是一種重要的建筑形式，具有極高的文物、歷史、科學和藝術(shù)價值。所以，為了保護這些珍貴文物遺產(chǎn)有必要開展木結(jié)構(gòu)古建筑加固研究，具有極其重要的理論意義和社會價值。由于木結(jié)構(gòu)古建筑的獨特設(shè)計和構(gòu)造，使得木結(jié)構(gòu)建筑加固與傳統(tǒng)建筑物的加固方法有較大差別，不能沿用傳統(tǒng)的加固方法，缺乏科學有效的加固方法成為古建筑木結(jié)構(gòu)維修加固的瓶頸。隨著科技的發(fā)展以及新型材料的廣泛應用，纖維增強復合材料（ FRP）具有比強度和比模量高、自重輕、施工方便、良好的耐腐蝕性能等優(yōu)點，成為加固木結(jié)構(gòu)古建筑的重要材料之一。

1 纖維增強復合材料用于殘損節(jié)點加固

在建筑物結(jié)構(gòu)中節(jié)點起著連接柱和梁、協(xié)調(diào)構(gòu)件之間的變形、傳遞和分配外部荷載、保證結(jié)構(gòu)整體性能的作用，節(jié)點的破壞會導致建筑物出現(xiàn)變形甚至發(fā)生整體性倒塌。因此，修復加固建筑物殘損節(jié)點，保證其承載能力對于建筑物結(jié)構(gòu)具有非常重要的意義[1]。目前，國內(nèi)常采用在節(jié)點處沿額枋方向粘貼碳纖維布的加固方法[2-5]和沿節(jié)點斜向45°粘貼纖維材料的加固方法[6]來加固古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點。

謝啟芳等[7]進行了中國古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點加固的試驗，研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維布加固木構(gòu)架榫卯節(jié)點對其強度和剛度提高不是很大，但能恢復到未損壞之前的狀態(tài)，達到了維修加固的目的。適合于破損程度較小的榫卯節(jié)點。閆維明等[8]研究發(fā)現(xiàn)采用CFRP加固榫卯節(jié)點能提高其剛度和承載力，且加固后的榫卯節(jié)點仍有很好的變形性能，但耗能能力不如加固前。周乾等[9]還采用振動臺試驗方法，研究了CFRP加固后榫卯節(jié)點的抗震性能，結(jié)果表明，CFRP加固古建筑榫卯節(jié)點具有較好的減震效果，可以用于古建筑抗震保護。

2 纖維增強復合材料用于破損木梁加固

纖維增強復合材料具有抗拉強度高的特性，在木梁受拉區(qū)粘貼FRP，使之與木梁共同承受荷載，從而提高木梁的受彎承載力，達到加固補強的作用。馬建勛等[10]進行了4根木梁（其中3根為加固梁，另外1 根為對比梁） 的破壞試驗，通過對試驗中所觀察到的現(xiàn)象和試驗數(shù)據(jù)的整理與分析，認為CFRP對木梁受彎有良好的加固效果，極限承載能力提高幅度約在20%左右，并且隨配布率的增大而增大，但不會線性增大。此外，粘貼碳纖維布能明顯提高木梁的剛度，減小撓度。祝金標[11]通過21根木梁的試驗研究，對采用碳纖維布（CFRP）修復加固后的破損木梁的破壞特征、屈服荷載、極限荷載以及梁的撓度進行了研究與分析，研究結(jié)果表明CFRP修復加固局部破損木梁可以有效修復和提高木梁剛度和極限荷載。姬卓[12]采用9根木梁（其中5根為CFRP材料加固木梁，3根為CFRP材料預應力加固木梁，1根為對比梁）進行試驗。研究了不同的CFRP材料粘貼方式（U型粘貼和下表面粘貼）和不同的粘貼厚度（雙層加固和單層加固）等因素對于木梁加固效果的影響。還從木構(gòu)件的極限承載能力、剛度及延性的提高側(cè)重點和幅度等方面評價了不同的加固方式和不同的粘貼厚度對木構(gòu)件的加固性能。吳照華[13]研究發(fā)現(xiàn)碳纖維布加固木梁存在很大的離散性，木梁本身的天然材性（如含水率、木節(jié)、髓心、干縮裂縫、腐朽等）會影響木梁的極限承載力，在工程應用中，應該盡可能的減少其不利影響。

3 纖維增強復合材料用于木柱加固

將纖維增強復合材料包裹在木柱適當區(qū)域，可以約束木柱變徑向形，提高木柱的受壓承載力。周鐘宏[14]通過軸心受壓試驗，探討了圓形截面木柱長細比、碳纖維布的縱橫向設(shè)置方式等因素對加固效果的影響，還對加固木柱的破壞特征進行了研究，分析了軸心受壓木柱的體積變形特性、極限承載力以及CFRP對其抗側(cè)剛度、抗壓剛度的影響。首次進行了沿軸心受壓木柱的縱向粘貼碳纖維布的試驗，結(jié)果表明，縱向粘貼CFRP可以顯著改善木柱的抗側(cè)性能，大幅度提高其極限承載力，顯著改善其變形性能，取得了良好的加固效果。許清風和朱雷[15]研究發(fā)現(xiàn)將木柱局部受損處先用完好順紋木塊替換后再用CFRP 布包裹，可以完全恢復木柱的受壓承載力和延性性能。王鯤[16]還進行了不同直徑構(gòu)件、不同加固量的加固試驗，提出了CFRP加固木柱的承載力計算公式，為今后的理論研究及工程加固等提供了科學參考依據(jù)。邵勁松等[17]進行了FRP 加固木柱的軸心抗壓性能試驗，探討了木柱受載后的工作機理和破壞模式，并提出了FRP加固木柱極限承載力和峰值應變的計算公式。

4 纖維增強復合材料用于木墻、板的加固

采用FRP 材料對板進行加固是將FRP 粘貼于板的受拉面。一般加固單向板時，通常將FRP 沿短跨方向粘貼于板底，而雙向板，則需要沿兩個方向粘貼FRP 材料[18]。Marco Corradi等[19]通過試驗和理論分析發(fā)現(xiàn)木地板采用GFRP 加固可顯著提高地板的剪力和剛度。FRP 材料還可以用于木剪力墻和木框架岸面板的加固[20-21]。

5 粘貼技術(shù)對加固效果的影響

朱曉東等[22]借助正交試驗分析了貼面厚度、施膠量和貼面尺寸對玻璃纖維布加固落葉松規(guī)格材力學性能和可靠度的影響。研究結(jié)果表明：（1） 各加固工藝參數(shù)對玻璃纖維布增強落葉松規(guī)格材MOE的影響順序為：纖維布貼面厚度<施膠量<貼面尺寸。（2） 彈性模量的變化值隨著GFRP材料厚度的增加而減小；隨著施膠量的增加而變大；隨著貼面尺寸長度的減少變化不明顯，只有當貼面尺寸小于試件長度1/4的時候，彈性模量出現(xiàn)較大的下降。（3）在可靠度滿足96%以上的條件下，最佳貼面參數(shù)為貼面厚度3 mm，施膠量125g/m2，貼面尺寸為1/2。李向民等[23]也研究了CFRP層數(shù)、粘貼形式對加固木柱受力性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CFRP加固能顯著提高木柱受壓承載力和延性，可應用于木結(jié)構(gòu)維修加固的工程實踐。

6 結(jié)語

我國擁有大量以木結(jié)構(gòu)為主的古建筑，木構(gòu)件易老化損傷，應進行合理的維修加固。近年來，由于纖維增強復合材料具有抗拉強度高、自重輕、耐腐蝕、易于裁剪等優(yōu)點，其在木結(jié)構(gòu)古建筑維修加固領(lǐng)域得到了越來越廣泛的研究和應用。該文分析了國內(nèi)外利用纖維增強復合材料對木結(jié)構(gòu)古建筑殘損節(jié)點、梁、柱、木墻、板加固的研究進展和案例。隨著對木結(jié)構(gòu)古建筑的保護研究進一步深入，纖維增強復合材料加固木結(jié)構(gòu)技術(shù)研究具有廣闊的工程應用前景。

參考文獻

[1] 張風亮.中國古建筑木結(jié)構(gòu)加固及其性能研究[D].西安：西安建筑科技大學（博士論文），2013.

[2] 薛建陽，謝啟芳，趙鴻鐵.一種碳纖維布加固的古建筑木結(jié)構(gòu)大木構(gòu)架的榫卯節(jié)點：中國，200720032300.3[P].2008-06-11.

[3] 徐明剛，邱洪興.中國古代木結(jié)構(gòu)建筑榫卯節(jié)點抗震試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2010（S2）：345-349.

[4] 周乾，閆維明，張博.CFRP布加固古建筑木構(gòu)架抗震試驗[J].山東建筑大學學報，2011，26（4）：327-333，347.

[5] 陸偉東，鄧大利.木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點抗震性能及其加固試驗研究[J].地震工程與工程振動，2012，32（3）：109-116.

[6] 法冠喆，王全鳳.BFRP加固榫卯節(jié)點抗震性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2012，42（4）：152-156.

[7] 謝啟芳，趙鴻鐵，薛建陽，等.中國古建筑木結(jié)構(gòu)榫卯節(jié)點加固的試驗研究[J].土木工程學報，2008，41（1）：28-34.

[8] 閆維明，張博，周乾，等.古建筑榫卯節(jié)點抗震加固試驗[J].工程抗震與加固改造，2011，33（2）：89-95.

[9] 周乾，閆維明，紀金豹，張博.CFRP加固古建筑榫卯節(jié)點振動臺試驗[J].廣西大學學報：自然科學版，2011，36（1）：37-44.

[10] 馬建勛，蔣湘閩，胡平，等.碳纖維布加固木梁抗彎性能的試驗研究[J].工業(yè)建筑，2005，35（8）：35-39.

[11] 祝金標.碳纖維布（CFRP）修復加固破損木梁的試驗研究[D].杭州：浙江大學（碩士論文），2005.

[12] 姬卓.CFRP 材料加固木梁性能研究[D].上海：上海交通大學（碩士論文），2009.

[13] 吳照華.碳纖維布加固古建筑木梁的性能研究[D].西安：西安建筑科技大學（碩士論文），2007.

[14] 周鐘宏.碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能研究[D].南京：南京工業(yè)大學（碩士論文），2005.

[15] 許清風，朱雷.CFRP 維修加固局部受損木柱的試驗研究[J].土木工程學報，2007，40（8）：41-46.

[16] 王鯤.碳纖維增強材料（CFRP）加固古建筑木結(jié)構(gòu)試驗研究[D].西安：西安建筑科技大學（碩士論文），2007.

[17] 邵勁松，薛偉辰，劉偉慶，等.FRP 橫向加固木柱軸心受壓性能計算[J].土木工程學報，2012，45（8）：48-54.

[18] 肖萍.FRP 在工程結(jié)構(gòu)加固中的應用[J].福建建材，2014（12）：36-37.

[19] Marco Corradi，Emanuela Speranzini， Antonio Borri， et al.In-plane shear reinforcement of wood beam floors with FRP[J].Composites Part B： Engineering，2006，37（4）：310-319.

[20] Davids William G， Dagher Habib J， Cassidy Eric D， Gardner Douglas. FRP-reinforced oriented strand board panels for disaster-resistant construction [C].2003 ASCE/SEI Structures Congress and Exposition： Engineering Smarter，2003：137-144.

[21] Judd Johnn P， Fonseca Femando S. FRP strengthened wood-frame roofs [J].International SAMPE Symposium and Exhibition，2003（48）：2129-2135.

[22] 朱曉冬，何鑫巍，劉玉.GFRP加固木結(jié)構(gòu)規(guī)格材抗彎力學性能及可靠性研究[J].西北林學院學報，2014，30（5）：181-185.

[23] 李向民，許清風，朱雷，等.CFRP 加固舊木柱性能的試驗研究[J].工程抗震與加固改造，2009，31（4）：55-59.