纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加固木梁的研究

姚署霖

摘 要：近年來(lái)，專家學(xué)者研究和應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的加固技術(shù)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。由國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)研究、工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固古木結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于碳纖維布的用量、種類以及與木材間的粘結(jié)性能。本纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加固木梁包括梁體，其特征在于，所述的梁體上沿其軸向方向上設(shè)有碳纖維布，所述的碳纖維布厚度為0.05～0.15cm。顯然，無(wú)形中延長(zhǎng)了梁體的使用壽命。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；加固木梁；研究

一、背景和意義

中國(guó)傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑是中國(guó)古代流傳下來(lái)的建筑，它繼承了中國(guó)文化幾千年的主流，繼承了中國(guó)民族的優(yōu)良傳統(tǒng)，具有歷史、藝術(shù)和科學(xué)價(jià)值。但是由于環(huán)境侵蝕、時(shí)間久遠(yuǎn)等多方面影響，許多的木結(jié)構(gòu)古建筑損壞得較嚴(yán)重，都亟待修復(fù)，而且還要保持原來(lái)的風(fēng)貌。隨著政府對(duì)文物歷史維護(hù)的重視，古建筑的加固技術(shù)也得到了進(jìn)一步的研究和加強(qiáng)。

近年來(lái)，專家學(xué)者研究和應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的加固技術(shù)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。由國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)研究、工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固古木結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于碳纖維布的用量、種類以及與木材間的粘結(jié)性能。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及新的材料廣泛應(yīng)用，F(xiàn)RP（纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）的特性：強(qiáng)度高，便于施工，耐蝕性，防火性，幾何可塑性，易于剪裁。用于粘貼在木結(jié)構(gòu)的表面，加強(qiáng)木結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，對(duì)于古建筑加固有著相當(dāng)重要的意義。

二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)90年代，科學(xué)家開(kāi)始研究碳纖維布來(lái)加固木梁。Plevris和Triantafillou[1]把冷杉木梁用碳纖維加固的試驗(yàn)，并分析了buchanan的本構(gòu)關(guān)系模型。Johns和Lacroix[2]用各種類型的碳纖維和玻璃纖維來(lái)進(jìn)行加固木梁的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加固后的木梁的強(qiáng)度比未加固前提高40%-70%，說(shuō)明用纖維材料加固可以有作用地改善木梁的受力性能。在國(guó)內(nèi)，許清風(fēng)等把碳纖維布貼在舊木梁的各個(gè)側(cè)面，進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，因?yàn)楣沤ㄖǔ梢呀?0年，木梁損壞嚴(yán)重，由于邊緣木木節(jié)發(fā)生彎曲破壞，使試驗(yàn)結(jié)果有較大離散，但木梁本身承載力和剛度有顯著提高。

三、研究?jī)?nèi)容

研究?jī)?nèi)容是提供一種成本低，能延長(zhǎng)梁體使用壽命，同時(shí)滿足古建筑“修舊如舊，不改變古建筑原貌”的原則的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加固木梁。

如圖1所示，本纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加固木梁包括梁體1，為了能延長(zhǎng)梁體的使用壽命，在梁體1上沿其軸向方向上設(shè)有碳纖維布2，本實(shí)施例的碳纖維布2層數(shù)為1～2層，其次，本實(shí)施例的碳纖維布2厚度為0.10cm。本實(shí)施例從根本上解決了梁體的承載力、剛度和耐久性較差等問(wèn)題，滿足對(duì)古建筑“修舊如舊，不改變古建筑原貌”的原則，易于推廣應(yīng)用。而且還延長(zhǎng)了梁體的使用壽命。具體地說(shuō)，本實(shí)施例的碳纖維布2通長(zhǎng)包裹在所述的梁體1上。其次，碳纖維布2通過(guò)粘性材料固定在梁體1上。優(yōu)化方案，這里的粘性材料為浸潤(rùn)樹(shù)脂。

1：梁體 2：碳纖維布

如圖2所示，本圖同圖1的結(jié)構(gòu)及原理基本相同，不一樣的地方在于：所述的碳纖維布2固定在所述梁體1的底面上。

1：梁體 2：碳纖維布

施工流程及應(yīng)注意的事項(xiàng)：

a.表面處理：由于使用的碳纖維片材，以改善設(shè)計(jì)元素應(yīng)該確定，以便在襯底的狀態(tài)的目的，以確保其對(duì)從織物結(jié)構(gòu)體的表面?zhèn)鬟f載荷的能力。b.在底層滾涂上TH-505碳纖維底膠，并注意要把膠均勻，厚度一致，再?gòu)椖€。c.然后再將TH-505碳纖維浸潤(rùn)膠用滾涂法，均勻地涂在木材梁粘結(jié)面上，所使用的纖維浸潤(rùn)膠的用量須充足而且要飽滿。d.把成卷的碳纖維布按照所設(shè)計(jì)的尺寸，進(jìn)行仔細(xì)地裁剪，粘貼在木材梁涂膠面，所粘貼的碳纖維布要平整、光滑，并無(wú)褶皺處。e.使用硬橡膠棍、塑料刮板對(duì)木材梁與碳纖維布粘接處進(jìn)行反復(fù)碾壓，使粘接處的碳纖維布平整、光滑、無(wú)小氣泡，并且粘合劑充分滲透到木材處。f.最后在木材面的碳纖維布上滾涂浸潤(rùn)樹(shù)脂，使浸潤(rùn)樹(shù)脂充分覆蓋在碳纖維布的表面，確保樹(shù)脂充分浸漬在碳纖維布的纖維之中。

針對(duì)嘉興古建筑的實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)碳纖維布加固木梁的抗彎性能試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加固木梁抗彎性能理論和過(guò)程分析，通過(guò)采用碳纖維布加固木梁的試驗(yàn)方法，對(duì)碳纖維布加固木梁的抗彎性能，同時(shí)對(duì)碳纖維布加固木梁界面應(yīng)力分析和計(jì)算等方面進(jìn)行公益性技術(shù)研究。該試驗(yàn)工作從2013年10月份開(kāi)始，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)人員與項(xiàng)目技術(shù)人員相互學(xué)習(xí)促進(jìn)，由于該項(xiàng)目中加固方法既保護(hù)了原古建筑的風(fēng)格，又能節(jié)約加固成本的目的，所以試驗(yàn)工作很順利。