粘貼鋼板加固裂損木梁受力性能試驗研究

楊 勇，李 輝，鮑子虞,2，薛建陽

（1.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安，710055；2.廣東省建筑設計研究院，廣東 廣州，510000）

木結構建筑是我國傳統建筑中最為重要的形式，目前在我國有大量木結構的民居、樓塔和寺廟等木結構建筑．木結構缺點也很明顯，在長時間暴露于自然條件下，承受荷載、雨水和風雪侵蝕會導致材料各項性能降低，而其中縱向開裂是最常見的裂損形式，其中尤以木梁縱向開裂更為突出．

縱向開裂對于木梁受力性能影響較大，縱向開裂截面處，縱向裂縫將木梁截面劈開為兩個半截面，導致木梁截面受彎承載能力和受彎剛度明顯下降．以截面尺寸為b×h的矩形木梁截面為例，假設縱向裂縫剛好通過截面中心，近似完全按彈性材料考慮，木梁截面慣性矩由(1/12)bh3降為(1/48)bh3，相應的彎曲剛度下降75%，而相應的截面受彎承載能力下降為50%，直接影響木梁的正常使用功能和安全性．而且，由于木材的特殊性質，干縮所致的縱向裂縫會在荷載稍微加大時突然快速延伸，容易導致木梁的突然脆性破壞．因此，在木結構建筑維護加固時，必須采取一定措施對木梁縱向裂縫進行加固處理．在經驗算裂損木梁承載能力和彎曲剛度可滿足后續使用要求的情況下，一般采用灌膠等辦法即可．若驗算后發現裂損木梁承載能力和彎曲剛度不能夠滿足后續使用要求時，則需要采取補強加固技術對木梁進行補強加固．

項目組此前針對縱向開裂的裂損木梁分別開展了鐵件加固法和對穿橫向螺栓加固法的試驗研究，研究結果發現，采用鐵件加固法和對穿橫向螺栓法，雖然可以延緩縱向裂縫開展，但是仍然無法阻止縱向裂縫在荷載稍微增加后的繼續開展，所加固木梁仍然因為縱向裂縫的延伸開展而導致脆性破壞，加固后木梁的承載能力和受彎剛度沒有明顯提高．在對采用鐵件加固和對穿橫向螺栓加固木梁的破壞形態和破壞機理進行分析后發現，雖然鐵件和螺栓具有較高強度和剛度，但是由于裂損木梁的母材(木材)的局部抗壓強度和剛度較低，在荷載增加過程中，木材在木材-鐵件或木材-螺栓的交界面上發生局部受壓變形甚至局部受壓破壞，而仍然無法阻止縱向裂縫延伸和開展，因此，仍舊發生與未加固木梁類似的縱向剪切破壞．按同樣道理也不難分析出， 采用粘貼碳纖維布方法也較難有效限制縱向裂縫開展，因為，由于碳纖維布主要是起單向受拉作用，對于與縱向裂縫平行布置的碳纖維布，由于碳纖維布的纖維之間剪切強度很低，碳纖維縱向剪切強度和剛度很小，無法限制木梁縱向裂縫發展；即便將碳纖維布垂直縱向裂縫布置，但由于碳纖維布的橫向抗剪強度也比較低，同時截面尺寸比較小，因此也不能有效抵抗木梁縱向裂縫的延伸和發展，文獻[1-2]的研究結果也得出了相似的結果．

針對裂損木梁的這些特點和機理，可以發現，粘貼鋼板法比較適合用于縱向裂損木梁的補強加固，因為，鋼板是各向同性材料，并且在各個方向的剪切強度和剪切剛度都比較大，在木梁兩側面粘貼鋼板、并在縱向裂縫之間灌膠填縫，能真正切實有效阻止縱向裂縫開展，有效提高裂損木梁受彎剛度和受彎承載能力．因此，本項目組在此前加固技術研究基礎上，開展了四個粘貼鋼板加固裂損木梁足尺試件的試驗研究，同時，在試驗通過在木梁底面粘貼強度、剛度均較高的CFRP復合木板來替代粘貼鋼板，在有效增加底部受拉區受力元件的同時，盡量減少對木梁建筑效果的破壞和影響．

1 試驗方案

1.1 試件設計

本試驗共制作了4個裂損木梁試件，四個試件編號分別為 GL1、GL2、GL3和 L1，其中，試件L1為未加固對比試件．試驗所用木材為俄羅斯白松，為了能更真實模擬實際工程中木梁的縱向干縮裂縫，所有木梁試件均未采用“破心下料”方法下料，而是將帶有髓心的原材直接“裁圓取方”加工成矩形木梁，并將加工后木梁試件不進行任何處理直接放置于室外，使試件產生縱向干縮裂縫，形成與實際木結構建筑中非常相似的縱向裂損木梁試件．木梁試件尺寸為150 m× 300 m× 3 100 mm，兩側加固鋼板長3 100 mm，寬280 mm，選用Q235鋼材，鋼板厚度為4 mm、6 mm和8 mm三種規格，首先采用建筑結構膠將鋼板粘貼在木梁的側面，再用直徑12 mm的膨脹螺栓固定．

木梁試件底部粘貼CFRP復合木板對木梁進行正截面抗彎補強加固．CFRP復合木板是本項目組針對 CFRP加固木梁的一種創新，具體做法是將CFRP布首先粘貼在薄木板一側、待膠體達到強度后，再按設計要求打孔，形成帶螺栓孔的復合木板，在木梁實際工程加固中只需將CFRP復合木板按照粘貼鋼板加固操作方法進行加固安裝施工．CFRP復合木板在木結構加固中具有以下優點：(1) 與直接粘貼碳纖維布相比，粘貼CFRP復合木板安裝方便，現場在復合板上抹膠然后用膨脹螺栓進行安裝即可；(2) 與直接粘貼碳纖維布相比，CFRP復合板外表面為木板，可以保持原有木結構建筑效果；(3)與粘貼木板相比，CFRP復合木板具有更高抗拉強度．本次木梁試件加固采用的菠蘿格-CFRP復合木板，因為菠蘿格木材具有強度高和硬度大特點，比較適合于木梁加固．試件中所采用的CFRP復合木板為兩層CFRP布和一塊30 mm厚菠蘿格木板粘貼復合而成，復合木板長3 100 mm，寬200 mm，厚度約為30 mm，成型后復合木板見圖1，木梁試件加固示意圖見圖2(a)．各試件參數及材料性能參數分別詳見表1和表2．

圖1 CFRP-復合木板Fig. 1 Digram of carbon fiber composite board

表1 試件參數表Tab.1 Parameter of specimens

表2 材料性能參數Tab.2 Material parameters of specimens

圖2 鋼板組合加固木梁試件Fig.2 Specimen retrofitted with bonded steel plates method

1.2 加載和測量方案

本次試驗采用液壓千斤頂進行單調靜力加載．試件均按照簡支梁形式進行靜力加載試驗，采用兩點對稱集中加載方式，支座一端采用固定鉸支座，另一端采用滾動鉸支座．在正式加載之前對試件進行預加載，在校核各儀器的工作狀態正常之后，緩慢加載直至破壞．試驗加載裝置見圖2(b)．

試驗量測內容為梁跨中位移、加載點處位移、跨中截面鋼材應變、木纖維應變、梁底菠蘿格和CFRP布的應變，各應變片布置位置見圖3．

圖3 應變片布置示意圖Fig.3 Layout of strain gauges in specimens

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態

在試驗過程中，未加固試件 L1破壞過程主要表現為隨著荷載增加，試件原有的不連續縱向干縮裂縫逐漸向兩端延伸，且在原有縱向裂縫附近出現一些小的平行縱向裂縫，隨著荷載逐漸加大，原有縱向裂縫逐漸連通，形成貫通的縱向裂縫，在到達極限荷載后，縱向裂縫突然貫通，荷載迅速下降，表現為明顯的脆性破壞特點．試件最終破壞形態為縱向剪切破壞形態，詳見圖4．

圖4 試件典型破壞圖Fig .4 Typical failure pattern of specimens

3個粘貼鋼板加固試件的破壞形態比較相似，與試件 L1相比，由于木梁側面全部被鋼板包裹，整個加載過程中無法觀測側面裂縫發展，但從試件端部裂縫以看出，試件縱向裂縫發展較少，縱向滑移也不明顯，試件最終破壞是由于試件跨中受壓區鋼板局部壓屈所致，試件的整體破壞形態具有明顯的彎曲破壞特點，具有明顯塑性．加固典型試件GL2的最終破壞形態詳見圖4．

2.2 承載能力

圖 5為試驗所測各試件的荷載－跨中撓度曲線，由圖5可以得出各試件的跨中撓度和極限荷載等試驗結果，并均列于表3中．從表3可看出，采用粘貼鋼板加固后的裂損木梁，主要發生受壓區鋼板壓屈的破壞形態，雖然試件中各加固元件(側面鋼板和底部CFRP復合木板)的作用未能全部發揮，但是試件承載力仍有提高顯著．從試驗結果可以看出，試件承載能力提高隨CFRP復合木板中CFRP層數與粘貼鋼板厚度的增加而增大，GL1、GL2、GL3極限荷載比L1分別提高90%，110%和161%．

表3 主要試驗結果Tab.3 Major test results

圖5 試件荷載-跨中撓度曲線Fig.5 Load- deflection curves of specimens

2.3 剛度分析

(1) 通過對比試件的荷載-撓度曲線可以看出，在整個試驗過程中，GL1、GL2、GL3試件的撓度始終比L1緩慢，GL1、GL2、GL3的剛度比L1的剛度都有不同程度地提高，且隨著鋼板厚度和碳纖維布的層數增多而提高．

(2) 彈性截面剛度指標：在木結構受彎構件的設計內容中，變形是一個重要的控制指標，《木結構設計規范》[8]規定受彎構件的最大撓度不超過其計算跨度的 1/250～1/150,主要是保證其變形不致影響正常使用，受彎構件在撓度的控制條件下處于彈性階段，這也是對構件彈性截面剛度提出的一個控制指標．表4為各試件在正常使用條件下, 撓度達到其計算跨度1/150時的荷載，從表4中可以發現，GL1、GL2、GL3正常使用荷載比L1分別提高98%，106%，152%，即彎曲剛度約相應提高了 98%，106%，152%．

表4 正常使用荷載Tab.4 Normal service load

3 承載能力計算方法

3.1 平截面假定

圖6是加固裂損木梁試件跨中截面應變分布．由圖6可知，加固梁及對比梁橫截面上的應變大小變化分布基本符合平截面假定，隨著荷載持續增加的過程，木材受壓區的區域越來越大，加固木梁截面的中和軸有不斷地向下移動的趨勢．

圖6 截面應變分布Fig.6 Distribution of section strain

3.2 基本假定

結合國內已有的研究成果[3-7]和試驗結果，本文計算基于以下幾個假定：

(1) 木梁橫截面的平均應變符合平截面假定；

(2) 木材應力-應變關系采用Bachtel和Norris模型，即木材受拉為線彈性，受壓為理想彈塑性，且受拉和受壓的彈性模量相等，木材受壓區極限壓應變為其屈服應變的3.3倍；

(3) 碳纖維布厚度忽略不計；

(4) 碳纖維布的拉應力等于碳纖維布拉應變與其彈性模量的乘積，即碳纖維布應力-應變關系采用線彈性模型；

(5) 鋼材本構關系采用理想彈塑性模型．各材料應力-應變曲線見圖7．

根據上述之假定，可以分別得到截面彈性極限彎矩、截面屈服彎矩和截面極限彎矩的計算簡圖(圖8)，并根據相應的平衡條件建立截面承載能力計算公式，即

圖7 材料應力-應變曲線Fig.7 Stress-strain curve of materials

3.3 彈性極限彎矩Mε

3.3.1 方法一：截面平衡法

圖8 截面受彎承載能力計算簡圖Fig.8 Calculation diagram of bending capacities

3.3.2 方法二：換算截面法

3.4 全屈服彎矩My

表5 全屈服彎矩計算值Tab.5 Yield bending moment calculation values

3.5 極限彎矩Mu

3.5.1 受壓破壞時極限彎矩Mu

3.5.2 受拉破壞時極限彎矩Mu

表6 極限彎矩計算值與試驗值比較Tab.6 Comparison of ultimate bending moment calculation value and experimental value

4 結論

本文完成了3個采用粘貼鋼板加固和1個未加固的縱向裂損木梁試件的試驗研究，通過對試驗現象和試驗結果進行分析，初步得到如下結論：

(1) 采用粘貼鋼板加固裂損木梁，可以有效提高約束和阻止木梁縱向裂縫開展；

(2) GL1、GL2、GL3極限荷載比對比梁L1提高很多，分別提高90%，110%和161%，粘貼鋼板加固裂損木梁可以有效提高木梁極限承載能力．

(3) 以撓度等于計算跨度 1/150指標時計算的正常使用荷載GL1、GL2、GL3比L1分別提高98%，106%，152%，粘貼鋼板加固方法能有效提高裂損木梁彎曲剛度．

(4) 本文基于平截面假定，分別建立了粘貼鋼板加固裂損木梁的彈性彎矩、屈服彎矩和極限塑性彎矩計算方法，其中，極限彎矩計算方法與試驗研究結果吻合較好．

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