局部损伤圆木柱维修加固方法的试验研究

许清风

(1. 上海市工程结构新技术重点实验室，上海 200032；2. 上海市建筑科学研究院(集团)有限公司，上海 200032)

中国传统建筑多为木结构或砖木结构，常采用圆木柱。经过多年使用后，圆木柱常在底端与基础直接接触处腐朽。另外，圆木柱还存在裂缝、虫害等局部损伤。由于圆木柱对结构的安全性能影响大，应予定期维护。近年来，国内外已有学者对CFRP加固木柱进行了研究[1]。张大照[2-9]等分别进行了FRP维修加固木柱的试验研究，研究结果表明，粘贴FRP布能有效约束木柱的横向变形，显著提高木柱的延性。另外，张天宇等[10-12]进行了 FRP维修加固旧木柱的试验研究，研究结果与维修加固普通木柱的研究结果相似。《古建筑木结构维护与加固技术规范》(GB 50165-92)[13]规定的维修加固方法需进行相应更新。许清风等[14]研究了局部受损矩形木柱的维修加固方法。研究表明，局部受损矩形木柱的极限承载力较对比试件有明显降低；局部受损处用完好顺纹木块替换并用水平向CFRP布包裹后，其受压承载力和延性性能可恢复。本文作者针对圆木柱易出现局部损伤的特点，进行局部受损圆木柱维修加固方法的试验研究。

1 试件设计

9根试件由1根圆形原木截取而得，试件高度均为1.2 m。其中C71为对比试件；C72为中间割开，并用结构胶连接；C73为中间割开用结构胶连接，并在接缝处粘贴400 mm宽水平向CFRP布包裹；C80为中间边缘切开150 mm ×75 mm(高度×深度)的缺口；C81为中间边缘切开150 mm×80 mm(高度×深度)缺口，顺纹木块采用结构胶填塞；C82为中间边缘切开150 mm×85 mm(高度×深度)缺口，顺纹木块采用结构胶填塞，并在接缝处粘贴 400 mm宽水平向CFRP布包裹；C83为中间边缘切开 150 mm×175 mm(高度×深度)缺口；C84为中间边缘切开150 mm×185 mm(高度×深度)缺口，顺纹木块采用结构胶填塞；C85为中间边缘切开150 mm×195 mm(高度×深度)缺口，顺纹木块采用结构胶填塞，并在接缝处粘贴400 mm宽水平向CFRP布包裹。

试件特征及尺寸见图1。

2 试验概况

2.1 试验材料

本次试验选用花旗松(Douglas Fir, Pseudotsuga menziesii)，材性试验测得其顺纹抗压强度为35.5MPa，密度为510 kg/m3，含水率为15.9%。选用某厂生产的CFC2-2型(300g)CFRP布，实测抗拉强度标准值为3515 MPa，受拉弹性模量为242 GPa，伸长率为1.7%。选用吴江八都得力建筑结构胶厂生产的DL-JGN型建筑结构粘结胶，其钢-钢抗拉强度大于 33 MPa，钢-钢抗剪强度大于18 MPa。

2.2 应变片布置

2.3 加载制度

试件在10 MN压剪试验机上进行抗压试验，采用DH3817动态应变测量系统进行数据采集。正式试验前先进行预压以减少系统误差。试验采用连续均匀加载方式，加载速度为0.02 mm/s，当荷载下降至极限荷载的75%时，试验结束。

3 试验结果与分析

3.1 试验现象描述

对比试件C71在加载过程中初始裂缝继续开展，最后贯穿整个圆形截面破坏。C72随着荷载增加，原有裂缝继续向木柱中心发展，并产生沿径向和年轮的裂缝，端部木纤维皱褶，试件破坏。试件破坏时中间截断处结构胶层无明显破坏，试件保持整体。C73随着荷载增加，试件中下段出现新的较宽裂缝，原有裂缝亦有明显开展；CFRP布包裹范围内无明显裂缝发展迹象。

C80随着荷载增加，试件在缺口上部原有裂缝处破坏，裂缝深度和宽度均明显变大，而缺口上下及周边无明显破坏，试件呈明显的偏压特性。随着荷载增加，C81在填塞木块对侧出现2条较宽的竖向裂缝，试件破坏时填塞木块无明显破坏或裂缝。C82随着荷载增加 CFRP布包裹区域以上发生明显扭曲变形破坏，破坏时CFRP布包裹区域无明显破坏。

图1 试件尺寸及应变片布置图(单位：mm)Fig.1 Size and strain gauge location of specimens

C83随着荷载增加，试件缺口上部原有裂缝明显变宽，缺口边缘出现一条较宽的竖向裂缝，缺口上下边由平行变为明显偏位，试件呈典型的偏心受压特征。随着荷载增加，C84原有裂缝继续开展，宽度和长度明显增长，试件破坏。C85随着荷载增加，CFRP布包裹区域以上原有裂缝附近出现1条新的竖向裂缝，试件破坏时CFRP布包裹区域无明显破坏。

典型试件破坏特征见图2。

3.2 主要试验结果

主要试验结果汇总见表1。

3.2.1 应力—位移曲线

其次，各院校还要结合自身实际情况进行校内实训基地的建立，且要结合学生不同专业的学习、发展需求来进行创新建设，以确保学生可以获得更适合的知识应用、实践锻炼机会，促进学生实践能力的全面提升。实训基地在实际建设过程中，要将职场仿真能力视为重要导向，促进实训基地建设科学、合理性的不断提升，进行科学、完善管理模式的科学构建。同时，在校企合作过程中，双方还要结合具体情况来进行相关合作协议、联合培养协议的签订，以此来不断优化教学管理模式，为双方的高效、创新发展创造良好条件。

为消除试件截面尺寸不同带来的影响，对比各试件的应力-位移曲线和极限应力。各试件应力-位移曲线对比见图3，极限应力对比见图4。

图2 试件的典型破坏特征Fig.2 Failure mode of typical specimens

表1 主要试验结果Table 1 Main experimental results

由表1和图3～4可知：(1) 中间截断后用结构胶粘结的C72的极限应力有所降低，为对比试件极限应力的89%；中间截断结构胶粘结再用水平向CFRP布包裹的C73的极限应力恢复到对比试件的112%。(2)在中部边缘开高度为150 mm、深度为D/4(D为较小端直径)切口的 C80(截面损失 19.5%)的极限应力明显下降，仅为对比试件的78%(承载力损失22%)；仅用同质顺纹木块填补的试件C81的极限应力恢复到对比试件的115%；用水平向CFRP布包裹的试件C82的极限承载力恢复到对比试件的109%。(3) 在中部边缘开高度为150 mm、深度为D/2的C83(截面损失50%)的极限应力显著下降，仅为对比试件的43%(承载力损失 57%)；仅用同质顺纹木块填补的试件 C84的极限应力恢复到对比试件的101%；用水平向CFRP布包裹的试件C82的极限承载力恢复到对比试件的100%。

3.2.2 延性系数

本文根据实测的σ-Δ曲线，用能量等效面积法计算试件的名义屈服位移Δy[15]，再用荷载下降至0.85σu的极限位移Δu计算各试件的延性系数μΔ，计算结果见表1和图5。

由表1和图5可知：除中间切开的C72延性系数较对比试件略有增加(增加9%)外，其余试件的延性系数均略有降低。

3.2.3 应变分析

C71～C73的平均竖向应变对比见图6。

图3 试件σ-Δ曲线对比图Fig.3 σ-Δ curves of specimens

图5 延性系数对比图Fig.5 Ductility factor of specimens

图6 C71～C73平均竖向应变对比图Fig.6 Mean vertical strain curves of C71-C73

由图6可知：中间切开仅用结构胶连接的C72初始刚度较对比试件有所减小，但在接缝处粘贴一层水平向CFRP布包裹后的C73初始刚度较对比试件略有增大；在相同应力作用下，C72的平均竖向应变最大、C73的平均竖向应变最小。

C80～C82的竖向应变变化见图7，平均竖向应变对比见图8。C80～C82的水平应变变化见图9。

由图7～9可知：C80部分位置竖向应变为拉应变，部分位置水平应变为压应变，试件呈典型的偏压特性。采用结构胶用顺纹木块填塞后，C81全截面均受压；但由于结构胶刚度较小，使填塞木块的竖向应变略小于木柱，木柱和木块水平应变存在一定差距。采用结构胶用顺纹木块填塞并在接缝处粘贴一层水平向CFRP布后，C82全截面呈轴压特征，填塞木块和木柱的竖向应变和水平应变差异均很小。

图7 C80～C82竖向应变图Fig.7 Vertical strain curves of C80-C82

图8 C80～C82平均竖向应变对比图Fig.8 Mean vertical strain curves of C80-C82

图9 C80～C82水平应变图Fig.9 Horizontal strain curves of C80-C82

C83～C85的竖向应变变化见图 10所示，平均竖向应变对比见图11所示；水平应变变化见图12所示。

由图10～12可知，C83的竖向应变和水平应变变化均表明其呈典型的大偏压特性。采用结构胶用顺纹木块填塞后，C84全截面均受压；但由于结构胶刚度较小，使填塞木块的竖向应变略小于木柱，木柱和木块水平应变存在一定差距。采用结构胶用顺纹木块填塞并在接缝处粘贴一层水平向CFRP布后，C85木柱的竖向应变略小于同质顺纹填塞木块的竖向应变，但总体趋于均匀；加载初期 C85木柱的水平应变小于填塞木块的水平应变，在加载后期，两者趋于一致。

图10 C83～C85竖向应变图Fig.10 Vertical strain curves of C83-C85

图11 C83～C85平均竖向应变对比图Fig.11 Mean vertical strain curves of C83-C85

图12 C83～C85水平应变图Fig.12 Horizontal strain curves of C83～C85

4 结论

(1) 随着局部损伤圆木柱有效截面的减小，其受力性能受到明显影响，截面损失分别为20%和50%时，圆木柱的受压承载力分别降低22%和57%。截面受损圆木柱的受力性能也将发生明显改变，由轴心受压破坏转变为偏心受压破坏。

(2) 对底端受损圆木柱进行底部更换并在接缝处用一层水平向CFRP布包裹后，圆木柱的受压承载力可恢复。

(3) 对局部受损圆木柱进行局部同质顺纹木块替换并在接缝处用一层水平向CFRP布包裹后，圆木柱的受压承载力可恢复，且各侧面中心的竖向应变和水平应变均趋于一致。

(4) 采用同质顺纹木块局部替换并在接缝处用水平向CFRP布包裹维修加固局部受损圆木柱的效果较好，可应用于传统木结构的维修加固工程实践。

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