FRP的特性及其在加固木結(jié)構(gòu)中的研究與展望

謝德強(qiáng)

(四川煙草工業(yè)有限責(zé)任公司綿陽分廠)

我國(guó)傳統(tǒng)建筑文化博大精深，木結(jié)構(gòu)是其主要結(jié)構(gòu)形式之一，它傳承和凝聚著中華民族的深刻文化內(nèi)涵和優(yōu)良傳統(tǒng)，具有極高的文物、歷史和藝術(shù)價(jià)值，是世界建筑藝術(shù)的珍寶。目前，我國(guó)仍存有數(shù)量龐大的木結(jié)構(gòu)民居、橋梁、寺廟等建筑，是重要的歷史和建筑文化遺產(chǎn)，如馳名中外的北京故宮和山西應(yīng)縣木塔等，需要長(zhǎng)期作好保護(hù)工作。在美國(guó)、日本和韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，也有很多的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)，且近年來涌現(xiàn)了不少新型木結(jié)構(gòu)，主要是別墅和多層住宅。由于木材強(qiáng)度(特別是橫紋抗拉及抗壓強(qiáng)度)和彈性模量低、易老化、天然缺陷多(主要是木節(jié)、斜紋和裂紋)、且易受地震破壞、微生物侵害、洪水沖擊和雨水侵蝕等缺點(diǎn)，因此需要對(duì)木結(jié)構(gòu)進(jìn)行頻繁地維護(hù)和修復(fù);除此之外，因建筑物使用功能和荷載的改變，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力和變形發(fā)生變化，有時(shí)甚至引起破壞，因此也需要對(duì)木結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改造和補(bǔ)強(qiáng)。

1 木結(jié)構(gòu)加固的常用方法

通常情況下，木結(jié)構(gòu)的主要受力部件是梁、柱等構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)，損傷和破壞通常也出現(xiàn)在上述部位，因此，木結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)主要是對(duì)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的增強(qiáng)。常采用的主要加固方法有嵌補(bǔ)、剔補(bǔ)、螺栓加固法、拉桿法、化學(xué)灌漿、附加梁板法和局部更換法等。這些方法在符合一定的條件下能夠?qū)δ窘Y(jié)構(gòu)起到加固和修復(fù)作用，但同時(shí)也帶來了一些新的問題：(1)工序多，施工時(shí)間較長(zhǎng);(2)某些方法具有嚴(yán)格的條件限制，不便于推廣應(yīng)用;(3)在提高構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，往往又破壞了建筑原貌，有的還會(huì)引起化學(xué)腐蝕或銹蝕等問題，違背了《古建筑木結(jié)構(gòu)維護(hù)與加固技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的“修舊如舊”原則。隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Plastics)(簡(jiǎn)稱FRP)在土木工程中越來越廣泛的應(yīng)用，人們開始關(guān)注將其運(yùn)用到木結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)中。

2 FRP的特性與分類

FRP被認(rèn)為是繼混凝土和鋼材之后的“第三大現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料”，其主要由碳纖維、玻璃纖維等高性能纖維，經(jīng)過聚酯基或環(huán)氧樹脂等基體膠合后擠壓、拉拔成型。具有重量輕(密度約為鋼材的25%)、抗拉強(qiáng)度高(顯著超越普通鋼筋)、幾何可塑性大、易于裁剪成型、抗腐蝕性和耐久性好、絕緣絕熱性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、施工快捷周期短等特點(diǎn)，近年來在土木工程領(lǐng)域中得到了飛速地發(fā)展。同時(shí)，由于不同纖維的化學(xué)成分不同，所以，不同的FRP其力學(xué)性質(zhì)差異往往比較大，且通常是各向異性材料。土木工程實(shí)踐中常見的FRP復(fù)合材料，從材料形狀上分，主要有片材、筋、棒和索等;從纖維種類上分，主要包括碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、玄武巖纖維復(fù)合材料和芳綸纖維復(fù)合材料，分別簡(jiǎn)稱為CFRP、GFRP、BFRP、AFRP。目前，F(xiàn)RP 在土木工程中的應(yīng)用已涉及建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)以及海洋和近海結(jié)構(gòu)等，主要體現(xiàn)在加固、修復(fù)舊有結(jié)構(gòu)和直接應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面，特別在混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)方面取得了豐富的研究和應(yīng)用成果，但在加固木結(jié)構(gòu)方面的研究還相對(duì)較少，發(fā)展也較緩慢。

3 FRP加固木結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

由于FRP材料的諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)其開展了大量的研究工作，并在混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)中大量運(yùn)用，取得了很好的加固效果和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，但在木結(jié)構(gòu)中的實(shí)際應(yīng)用還很少。

3.1 國(guó)外的研究現(xiàn)狀

美國(guó)、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家于上世紀(jì)90年代初便開始了FRP(主要是CFRP)加固木結(jié)構(gòu)的研究工作。目前，整體還處于起步階段，已開展的研究工作主要集中在FRP增強(qiáng)梁、柱等構(gòu)件的短期性能和長(zhǎng)期性能方面。

(1)短期性能方面。主要通過試驗(yàn)，對(duì)粘貼FRP(主要是CFRP)后木梁的受彎、受剪性能和木柱的受壓性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，纖維布與木梁基本能共同變形，協(xié)同工作較好，加固后的木梁在抗彎、抗剪強(qiáng)度、剛度和延性等方面均有顯著的提高，CFRP加固后木柱的承載力也有較大地提高。另外，Triantafilluo還通過試驗(yàn)研究了預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)木梁的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，施加預(yù)應(yīng)力后木梁的強(qiáng)度與未施加預(yù)應(yīng)力CFRP梁和普通木梁相比約分別提高15%和30%，剛度也提高明顯，證明施加預(yù)應(yīng)力是一種較好的增強(qiáng)方式。

(2)長(zhǎng)期性能方面。Plveris，David分別通過恒溫恒濕恒載試驗(yàn)和恒溫變濕恒載試驗(yàn)研究了FRP加固木梁后徐變的變化規(guī)律，并提出了采用粘彈性模型建立關(guān)于時(shí)間、溫度和濕度的應(yīng)變函數(shù)分析徐變的方法，研究結(jié)果表明，F(xiàn)RP加固后構(gòu)件的初始變形和徐變變形明顯小于未增強(qiáng)的木梁，利用FRP加固木構(gòu)件既可提高構(gòu)件的承載力，又能明顯地減小徐變的影響。

3.2 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀

和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)關(guān)于FRP加固木結(jié)構(gòu)的研究工作開展較晚，基本上從本世紀(jì)初才開始進(jìn)行嘗試性的工作。近年來，逐漸成為了研究的熱點(diǎn)問題。開展的研究工作主要也是針對(duì)FRP(大部分是CFRP)或預(yù)應(yīng)力FRP加固后木梁、木柱等構(gòu)件在靜力荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行。楊會(huì)峰，王鯤分別對(duì)FRP增強(qiáng)膠合木梁受彎性能和FRP加固木梁的抗剪破壞形態(tài)開展了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：FRP增強(qiáng)后構(gòu)件的受彎極限承載力和剛度提高明顯;木梁的受剪破壞形態(tài)有順紋剪切破壞和斜截面剪切破壞兩種。周鐘宏、魏洋、李世宏相繼對(duì)FRP加固后的木柱開展了軸心受壓試驗(yàn)，分析了纖維布加固木柱的破壞特征和受力性能，并給出了受壓承載力的計(jì)算公式。文獻(xiàn)采用理論分析方法，給出了預(yù)應(yīng)力纖維材料加固后木梁在預(yù)應(yīng)力條件下粘結(jié)應(yīng)力的解析解，并提出了預(yù)彎法這一較為簡(jiǎn)單實(shí)用的預(yù)應(yīng)力施加方法。

4 展望與建議

由于我國(guó)現(xiàn)仍存有數(shù)量巨大的木結(jié)構(gòu)，需要經(jīng)常性地進(jìn)行維護(hù)和加固，這對(duì)于具有優(yōu)異性能的FRP材料來講，其在木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用無疑將具有廣闊的發(fā)展前景。因此，尋求合理可行的FRP加固木結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法顯得十分突出和重要。為促進(jìn)FRP在木結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，作者建議尚需在以下幾個(gè)方面開展大量的研究工作。

(1)加大新型FRP材料的研發(fā)力度。盡管目前常采用的CFRP、GFRP等材料能夠起到較好的加固效果，但材料自身仍存在著彈性模量低、徐變大、不耐磨等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)會(huì)較大地影響結(jié)構(gòu)的受力和變形，有時(shí)甚至?xí)鹌茐模虼耍斜匾邪l(fā)性能更加全面的FRP復(fù)合材料。

(2)深入開展理論研究和試驗(yàn)研究工作。目前關(guān)于FRP加固木結(jié)構(gòu)的國(guó)內(nèi)外研究，主要集中于單個(gè)構(gòu)件的靜力性能，采用的方法絕大多數(shù)是試驗(yàn)研究，理論研究很少，且試驗(yàn)研究開展尚不充分，無論是研究對(duì)象和試驗(yàn)的數(shù)量都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，得出的計(jì)算公式適用性較差，難以推廣。因此，需要在理論研究和試驗(yàn)研究方面投入更多的精力。

(3)FRP加固木結(jié)構(gòu)耐火極限、防火設(shè)計(jì)方法的研究和設(shè)計(jì)規(guī)程的制定。迄今為止，國(guó)內(nèi)外尚沒有制定有關(guān)FRP加固結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方面的規(guī)程，也沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范頒布，這阻礙了FRP在木結(jié)構(gòu)中的推廣和應(yīng)用，因此制定該類結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)規(guī)程，對(duì)于克服木材耐火性差的缺點(diǎn)，提高防火能力促進(jìn)工程運(yùn)用，具有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

(4)加強(qiáng)FRP加固木結(jié)構(gòu)后構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力性能研究和整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能研究。從前面的文獻(xiàn)綜述可以看出，目前，在該方面的研究很少，尤其是對(duì)加固后整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能(特別是抗震性能)的研究更少。然而木結(jié)構(gòu)在使用過程中，除了受到靜荷載作用外，還會(huì)受到地震、洪水等動(dòng)態(tài)作用。因此，非常需要開展構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)特別是整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力性能研究，提高整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能，尤其是抗震性能。

(5)進(jìn)一步加強(qiáng)粘結(jié)膠的研究。和利用FRP加固混凝土等結(jié)構(gòu)一樣，在FRP加固木結(jié)構(gòu)中，粘結(jié)膠的性能也是影響加固質(zhì)量的重要因素。因此需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)粘結(jié)膠的研究、開發(fā)與應(yīng)用。

(6)FRP加固木結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量問題。由于木材的性能不同于混凝土和鋼材，能否直接將較成熟的加固混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的施工工藝用于加固木結(jié)構(gòu)，還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

(7)繼續(xù)完善FRP加固木結(jié)構(gòu)徐變和疲勞特性的研究。

：

［1］王增春，何艷麗，王溥.FRP加固木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和研究［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2004，31(3) ：13-14.

［2］陳祖建，何曉琴.淺談中國(guó)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的保護(hù)［J］.福建建筑，2001，(3)：21-23.

［3］張大照.CFRP布加固修復(fù)木柱梁性能研究［D］.同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文.

［4］熊學(xué)玉，張大照..CFRP布加固木柱性能試驗(yàn)研究［J］.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，2(3)：5-8.

［5］楊會(huì)峰，劉偉慶.FRP增強(qiáng)膠合木梁的受彎性能研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2007，28(1)：64-71.

［6］王鯤.碳纖維增強(qiáng)材料(CFRP)加固古建筑木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2007.

［7］周鐘宏.碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能研究［D］.南京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.

［8］魏洋，張敏，蔣語楣，等.碳纖維布增強(qiáng)楊木LVL柱試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2009，39(11)：104-106.

［9］李世宏，高本立，李家青.碳纖維布增強(qiáng)楊木LVL柱試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2009，39(3)：103-106.

［10］王鋒，王增春，何艷麗，等.預(yù)應(yīng)力纖維材料加固木梁研究［J］.空間結(jié)構(gòu)，2005，11(2)：34-38.