某木結構連廊橫梁荷載試驗對比分析研究

易 鑫，黃旭剛，李 剛

(1.湖南華城檢測技術有限公司,湖南 長沙 410017； 2.湖南中騰土木工程技術有限公司,湖南 長沙 410017)

0 引言

木結構作為中國傳統的建筑形式，其材料主要以木材、磚瓦為主，結構形式主要為木構架結構，通過眾多木構件的組合而形成框架結構體系，其柱網平面均采用均衡對稱的布局。建造的結構主要由立柱、橫梁、順檁等主要構件組成,各構件之間的連接結點以榫卯相吻合,構成具有彈性的框架結構。

1 工程概況

該工程建筑連廊主體結構形式主要為木結構[1]，建筑高度5.83 m，木結構部分柱、梁、檁、枋等使用優質老杉木，材料等級為TC13A，結構設計安全等級為二級，設計使用年限為50 a，抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為6度。水的質量分數小于12%。該木橫梁截面為圓木，該廊架跨度為4.9 m，木橫梁材料強度和彈性模量如表1所示，建筑結構圖如圖1，圖2所示。

表1 木橫梁材料強度等級和彈性模量 N/mm2

2 木結構連廊橫梁加固方法

經過現場檢測，該木結構連廊橫梁存在較寬裂縫，且裂縫深度延伸已超過橫梁中心線，裂縫長度貫穿至梁柱節點位置。

綜合本工程的實際情況，在不改變木結構體系的情況下，通過加強木結構整體性、提高結構承載能力以及經濟合理的原則對結構進行加固。具體加固方法如下：

1)通過對該木結構連廊橫梁的裂縫采取注結構膠封閉處理。

2)由于碳布的抗拉強度高于木材，同時還能通過環向約束增加其承載力。故采用碳纖維布[2-3]的加固方式對木結構連廊橫梁進行加固，在橫梁底部2/3周長范圍內順木紋貼碳布兩層[4]，并環貼碳布@300。加固設計圖詳見圖3。

3 荷載試驗方案

3.1 荷載計算

根據現行GB/T 50329—2012木結構試驗方法標準的規定，試驗標準荷載Pk=1.0×活載。由于該木屋蓋大部分自重已經施加，僅屋面活荷載未施加。故本次荷載試驗[5]施加荷載僅計算屋面活荷載。

依據GB/T 50329—2012木結構試驗方法標準[6]、GB 50005—2017木結構設計標準[7]、GB 50009—2012建筑結構荷載規范[8]的規定，本次木橫梁荷載試驗的荷載計算過程如下：

該工程4.0 m跨度橫梁，活荷載取值為0.5 kN/m2，橫梁跨度L=4.0 m，橫梁間距為4.1 m，橫梁上立柱受荷寬度為1.225×3 m=3.675 m，單個立柱集中荷載Pm：Pm=(1.0×活載×橫梁間距a× 橫梁上立柱受荷寬度b)/2，橫梁所受立柱集中力(試驗荷載)：Pm=3.77 kN。單個立柱最大試驗荷載Pm(檢驗荷載)及每級荷載值如表2所示。

表2 木橫梁單個立柱最大試驗荷載Pm(檢驗荷載)及每級荷載值表

3.2 加載制度

1)本工程試驗的木橫梁跨度為4.0 m，本次試驗采用在橫梁立柱處布置集中荷載的方式進行加載，荷載材料選用液體材料(水)，加載方式示意圖如圖4所示。

2)試驗預加荷載標準值應分五級加載，兩級卸載，第一級加載至預加荷載標準值的20%，第二級加載至40%，第三級加載至60%，第四級加載至80%，第五級加載至100%；第一級卸載至預加荷載標準值的50%，第二級卸載為100%。加載至預加荷載標準值之前每級加載的時間間隔為10 min，持荷10 min之后讀取百分表讀數，加載至預加荷載標準值時，持荷時間為30 min，卸載持荷時間均為15 min。

3.3 測點布置

在該工程所測木橫梁構件的兩端點及跨中位置安裝3個百分表記錄變形量，測點布置示意圖詳見圖5，現場荷載試驗詳見圖6。

3.4 跨中實測撓度測量

根據規范要求[9]，采用水準儀或全站儀對該工程在現有狀態下(未增加試驗荷載)木橫梁進行撓度測量。選取木橫梁下沿中央點及下弦兩端點，計算在現有狀態下的撓度值。具體檢測程序及方法如下：

1)在A點處設置水準儀。

2)通過A點測出木橫梁下沿中央點及下弦兩端點的高程H。

3)根據各測點的高程值，按式(1)計算即可得到中點及下弦兩端點的撓度：

fi=(H1-Hi)-L1i/L×(H1-H2)

(1)

其中，H1為端點1高程值；H2為端點2高程值；Hi為測點i高程值；fi為i點處撓度值；L1i為端點1至測點i水平距離；L為端點1至端點2水平距離。

3.5 撓度計算

1)各級荷載作用下的跨中撓度實測值，按式(2)計算(1點、3點為兩端測點，2點為跨中測點)：

(2)

2)試驗荷載作用下的跨中撓度，按式(3)計算：

ωs=ωi

(3)

4 加固前后荷載試驗結果

4.1 初始撓度檢測

根據規范要求，采用水準儀對該工程在加固前后初始狀態下(未增加試驗荷載)木橫梁進行撓度測量。具體檢測結果如表3所示。

表3 木橫梁初始撓度檢測結果表 mm

4.2 試驗結果

按照加載方案進行木橫梁加載試驗，加固前荷載-變形圖如圖7所示，加固后荷載-變形圖如圖8所示，具體的試驗數據如表4所示。

表4 木橫梁試驗數據表 mm

4.3 試驗后構件損傷檢查

根據GB/T 50329—2012木結構試驗方法標準、GB 50206—2012木結構工程施工質量驗收規范[10]的規定對本次加固后的木橫梁荷載試驗過程中的破壞情況進行目測檢查。檢查結果如下：

1)試驗過程中及試驗后，未發現該加固后木橫梁發生承載力破壞和連接節點破壞。

2)試驗過程中及試驗后，未發現該加固后木橫梁原有順紋裂縫明顯擴張及新裂縫的產生。

3)試驗過程中及試驗后，未發現該加固后木橫梁撓度有急劇增大現象。

4.4 試驗結論

通過加固前、加固后試驗數據比對結果表明：該木橫梁加固前在試驗荷載作用下的撓度值為0.271 mm，加固后在試驗荷載作用下的撓度值為0.236 mm。該木結構連廊橫梁在加固后的試驗荷載作用下的變形性能提高了13.9%，變形性能得到改善。加固前后試驗數據比對如表5所示。

表5 木構件加固前、加固后試驗數據比對結果表

5 結語

根據現行木結構的相關規范對某木結構連廊橫梁裂縫采用注結構膠封閉、木橫梁整體采用碳纖維布加固的處理方法，并在加固前后分別進行靜荷載試驗檢測，試驗結果表明，該木結構連廊橫梁加固后在試驗荷載作用下，無明顯受損情況，且撓度變形得到有效改善，其受彎承載力可提高約13.9%。可為其他類似工程提供參考。