纤维增强复合材料加固木结构研究

于毅等

摘 要：中国古建筑以木结构为主，对其进行维修加固是一项非常重要的工作。由于木材弹性模量低、徐变大、易老化变形等特点，在自然作用（雨、雪侵蚀或微生物破坏）或外力（地震和台风）作用下容易造成损坏，因此有必要及时进行维修加固。该文总结了国内外利用纤维增强复合材料对木结构残损节点、梁、柱、木墙、板加固的研究进展和案例，指出纤维增强复合材料加固木结构技术具有广阔的应用前景，研究纤维增强复合材料加固木结构技术对工程实践有重要的意义。

关键词：纤维增强复合材料 木结构 加固 建筑

中图分类号：TU52 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（c）-0049-03

木结构是一种重要的建筑形式，具有极高的文物、历史、科学和艺术价值。所以，为了保护这些珍贵文物遗产有必要开展木结构古建筑加固研究，具有极其重要的理论意义和社会价值。由于木结构古建筑的独特设计和构造，使得木结构建筑加固与传统建筑物的加固方法有较大差别，不能沿用传统的加固方法，缺乏科学有效的加固方法成为古建筑木结构维修加固的瓶颈。随着科技的发展以及新型材料的广泛应用，纤维增强复合材料（ FRP）具有比强度和比模量高、自重轻、施工方便、良好的耐腐蚀性能等优点，成为加固木结构古建筑的重要材料之一。

1 纤维增强复合材料用于残损节点加固

在建筑物结构中节点起着连接柱和梁、协调构件之间的变形、传递和分配外部荷载、保证结构整体性能的作用，节点的破坏会导致建筑物出现变形甚至发生整体性倒塌。因此，修复加固建筑物残损节点，保证其承载能力对于建筑物结构具有非常重要的意义[1]。目前，国内常采用在节点处沿额枋方向粘贴碳纤维布的加固方法[2-5]和沿节点斜向45°粘贴纤维材料的加固方法[6]来加固古建筑木结构榫卯节点。

谢启芳等[7]进行了中国古建筑木结构榫卯节点加固的试验，研究发现，碳纤维布加固木构架榫卯节点对其强度和刚度提高不是很大，但能恢复到未损坏之前的状态，达到了维修加固的目的。适合于破损程度较小的榫卯节点。闫维明等[8]研究发现采用CFRP加固榫卯节点能提高其刚度和承载力，且加固后的榫卯节点仍有很好的变形性能，但耗能能力不如加固前。周乾等[9]还采用振动台试验方法，研究了CFRP加固后榫卯节点的抗震性能，结果表明，CFRP加固古建筑榫卯节点具有较好的减震效果，可以用于古建筑抗震保护。

2 纤维增强复合材料用于破损木梁加固

纤维增强复合材料具有抗拉强度高的特性，在木梁受拉区粘贴FRP，使之与木梁共同承受荷载，从而提高木梁的受弯承载力，达到加固补强的作用。马建勋等[10]进行了4根木梁（其中3根为加固梁，另外1 根为对比梁） 的破坏试验，通过对试验中所观察到的现象和试验数据的整理与分析，认为CFRP对木梁受弯有良好的加固效果，极限承载能力提高幅度约在20%左右，并且随配布率的增大而增大，但不会线性增大。此外，粘贴碳纤维布能明显提高木梁的刚度，减小挠度。祝金标[11]通过21根木梁的试验研究，对采用碳纤维布（CFRP）修复加固后的破损木梁的破坏特征、屈服荷载、极限荷载以及梁的挠度进行了研究与分析，研究结果表明CFRP修复加固局部破损木梁可以有效修复和提高木梁刚度和极限荷载。姬卓[12]采用9根木梁（其中5根为CFRP材料加固木梁，3根为CFRP材料预应力加固木梁，1根为对比梁）进行试验。研究了不同的CFRP材料粘贴方式（U型粘贴和下表面粘贴）和不同的粘贴厚度（双层加固和单层加固）等因素对于木梁加固效果的影响。还从木构件的极限承载能力、刚度及延性的提高侧重点和幅度等方面评价了不同的加固方式和不同的粘贴厚度对木构件的加固性能。吴照华[13]研究发现碳纤维布加固木梁存在很大的离散性，木梁本身的天然材性（如含水率、木节、髓心、干缩裂缝、腐朽等）会影响木梁的极限承载力，在工程应用中，应该尽可能的减少其不利影响。

3 纤维增强复合材料用于木柱加固

将纤维增强复合材料包裹在木柱适当区域，可以约束木柱变径向形，提高木柱的受压承载力。周钟宏[14]通过轴心受压试验，探讨了圆形截面木柱长细比、碳纤维布的纵横向设置方式等因素对加固效果的影响，还对加固木柱的破坏特征进行了研究，分析了轴心受压木柱的体积变形特性、极限承载力以及CFRP对其抗侧刚度、抗压刚度的影响。首次进行了沿轴心受压木柱的纵向粘贴碳纤维布的试验，结果表明，纵向粘贴CFRP可以显著改善木柱的抗侧性能，大幅度提高其极限承载力，显著改善其变形性能，取得了良好的加固效果。许清风和朱雷[15]研究发现将木柱局部受损处先用完好顺纹木块替换后再用CFRP 布包裹，可以完全恢复木柱的受压承载力和延性性能。王鲲[16]还进行了不同直径构件、不同加固量的加固试验，提出了CFRP加固木柱的承载力计算公式，为今后的理论研究及工程加固等提供了科学参考依据。邵劲松等[17]进行了FRP 加固木柱的轴心抗压性能试验，探讨了木柱受载后的工作机理和破坏模式，并提出了FRP加固木柱极限承载力和峰值应变的计算公式。

4 纤维增强复合材料用于木墙、板的加固

采用FRP 材料对板进行加固是将FRP 粘贴于板的受拉面。一般加固单向板时，通常将FRP 沿短跨方向粘贴于板底，而双向板，则需要沿两个方向粘贴FRP 材料[18]。Marco Corradi等[19]通过试验和理论分析发现木地板采用GFRP 加固可显著提高地板的剪力和刚度。FRP 材料还可以用于木剪力墙和木框架岸面板的加固[20-21]。

5 粘贴技术对加固效果的影响

朱晓东等[22]借助正交试验分析了贴面厚度、施胶量和贴面尺寸对玻璃纤维布加固落叶松规格材力学性能和可靠度的影响。研究结果表明：（1） 各加固工艺参数对玻璃纤维布增强落叶松规格材MOE的影响顺序为：纤维布贴面厚度<施胶量<贴面尺寸。（2） 弹性模量的变化值随着GFRP材料厚度的增加而减小；随着施胶量的增加而变大；随着贴面尺寸长度的减少变化不明显，只有当贴面尺寸小于试件长度1/4的时候，弹性模量出现较大的下降。（3）在可靠度满足96%以上的条件下，最佳贴面参数为贴面厚度3 mm，施胶量125g/m2，贴面尺寸为1/2。李向民等[23]也研究了CFRP层数、粘贴形式对加固木柱受力性能的影响，结果发现CFRP加固能显著提高木柱受压承载力和延性，可应用于木结构维修加固的工程实践。

6 结语

我国拥有大量以木结构为主的古建筑，木构件易老化损伤，应进行合理的维修加固。近年来，由于纤维增强复合材料具有抗拉强度高、自重轻、耐腐蚀、易于裁剪等优点，其在木结构古建筑维修加固领域得到了越来越广泛的研究和应用。该文分析了国内外利用纤维增强复合材料对木结构古建筑残损节点、梁、柱、木墙、板加固的研究进展和案例。随着对木结构古建筑的保护研究进一步深入，纤维增强复合材料加固木结构技术研究具有广阔的工程应用前景。

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