纖維增強復合材料加固木結構研究

于毅等

摘 要：中國古建筑以木結構為主，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。該文總結了國內外利用纖維增強復合材料對木結構殘損節點、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構技術具有廣闊的應用前景，研究纖維增強復合材料加固木結構技術對工程實踐有重要的意義。

關鍵詞：纖維增強復合材料 木結構 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

木結構是一種重要的建筑形式，具有極高的文物、歷史、科學和藝術價值。所以，為了保護這些珍貴文物遺產有必要開展木結構古建筑加固研究，具有極其重要的理論意義和社會價值。由于木結構古建筑的獨特設計和構造，使得木結構建筑加固與傳統建筑物的加固方法有較大差別，不能沿用傳統的加固方法，缺乏科學有效的加固方法成為古建筑木結構維修加固的瓶頸。隨著科技的發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點，成為加固木結構古建筑的重要材料之一。

1 纖維增強復合材料用于殘損節點加固

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

謝啟芳等[7]進行了中國古建筑木結構榫卯節點加固的試驗，研究發現，碳纖維布加固木構架榫卯節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，達到了維修加固的目的。適合于破損程度較小的榫卯節點。閆維明等[8]研究發現采用CFRP加固榫卯節點能提高其剛度和承載力，且加固后的榫卯節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加固后榫卯節點的抗震性能，結果表明，CFRP加固古建筑榫卯節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象和試驗數據的整理與分析，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。還從木構件的極限承載能力、剛度及延性的提高側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件的加固性能。吳照華[13]研究發現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、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，結果表明，縱向粘貼CFRP可以顯著改善木柱的抗側性能，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]研究發現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。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現木地板采用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格材力學性能和可靠度的影響。研究結果表明：（1） 各加固工藝參數對玻璃纖維布增強落葉松規格材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、粘貼形式對加固木柱受力性能的影響，結果發現CFRP加固能顯著提高木柱受壓承載力和延性，可應用于木結構維修加固的工程實踐。

6 結語

我國擁有大量以木結構為主的古建筑，木構件易老化損傷，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、易于裁剪等優點，其在木結構古建筑維修加固領域得到了越來越廣泛的研究和應用。該文分析了國內外利用纖維增強復合材料對木結構古建筑殘損節點、梁、柱、木墻、板加固的研究進展和案例。隨著對木結構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構技術研究具有廣闊的工程應用前景。

參考文獻

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