景观木亭断梁再续

2016-11-16霍文斌黄龙田郭志强

城市道桥与防洪 2016年6期

关键词：片材结构胶实测值

霍文斌，黄龙田，郭志强

（1.广东省建筑设计研究院，广东　广州　510010；2.广州奔达建工补强专业有限公司，广东广州 510010）

景观木亭断梁再续

霍文斌1，黄龙田1，郭志强2

（1.广东省建筑设计研究院，广东广州510010；2.广州奔达建工补强专业有限公司，广东广州 510010）

在建的景观亭承重叠合梁在跨中和1/3跨处无连接拼接，叠合梁严重变形近于折断，丧失大部分的承载力，面临坍塌。采用粘贴碳纤维片材加固后，不仅恢复和提高了整体的承载力，且觉察不到加固的痕迹，使用至今已6a，未见异常，效果良好。实践证明碳纤维加固木结构的方法是成功的，如用于古建筑的木结构维修加固应有广阔前景。

木结构；叠合梁拼接；碳纤加固；测试；效果

1　概况

某宾馆中庭四种不同形态的在建景观木亭，在主体结构完成后还未盖瓦，发现各承重主梁均已严重弯曲下挠，挠度绝对值超过30 mm（见图1），不得加设临时支撑，后续工序已无法进行，如果再上屋面荷载则有坍塌可能

图1　景观木亭主梁下挠

2　原因

检查发现承重主梁是由两或三根方木组成的叠合梁，图2是其中一个亭未上屋面瓦前的竣工图，组成叠合梁的方木在跨中和1L附近拼接，接口无连3接，实际上是由未固接的悬挑梁受力，结构处于不稳定状态，导致结构变形，是构造上的严重失误。

3　处理方案

因为上部构造已经完成，不可能拆除重建；主梁拼接口如用钢构件连接或加固势必影响外观，并且违反规范关于“在受弯构件的受拉边，不得打孔或开设缺口”的规定［1］。经比较决定采用粘贴碳纤维片材对主梁进行加固处理，并对叠合梁的拼接缝和水平缝压注结构胶，使形成完整的截面，提高截面的抗弯刚度。

图2　某亭未上屋面瓦前竣工图（单位：mm）

4　采用碳纤维片材加固木结构受弯构件的可行性

对叠合梁的拼接竖截面压注优质结构胶，以保证截面受压区的紧密连接，在梁的下缘粘贴碳纤维片材取代被截断的木纤维的抗拉功能，在理论上是成立的，碳纤维的抗拉强度是3 000 MPa以上，木材抗弯极限强度实测值一般是75～90 MPa［2，3］，碳纤抗拉强度是木材的33倍以上，0.167 mm厚的碳纤片材抗拉能力约相当于1.6 mm的钢板，粘贴碳纤只要锚固长度足够，可不设锚固螺栓，不会损坏原结构。本工程的受弯杆件的下缘均采用双层碳纤布加固，其抗弯承载能力应远高于原设计的抗弯承载力。为验证加固的可行性和加固效果，实施加固前，用碳纤加固小尺度的木杆件作破坏试验。

5　碳纤布加固单根木试件检测

5.1材质

试件采用本工程的相同的无疵方木（柚木），共分三组，三组试件材质相同，每组三个试件。

试件截面和加载简图：截面b×h=30 mm×20 mm，见图3。现场照片见图4、图5。

图3　试件截面和加载简图（单位：mm）

图4　原材无接口试件破坏前挠度较小

图5　碳纤加固有拼接口试件破坏前挠度大不断

5.2测试结果

测试结果见表1。

表1　测试结果汇总表

5.3试验结果描述

第一组试件是无接口的原材，对比用。破坏弯矩平均值0.154 kN·m，是受拉区木纤维拉断，断裂前挠曲变形不大，下缘木纤维突然拉断，呈脆性破坏特征。按实测值计算抗弯极限强度77 MPa，远大于按规范的取值fm=15～17 MPa，原因是规范木材抗弯强度的设计值已隐含了抗力的分项系数并经过调整，试件是木材极限强度的实际数值。

第二组试件拼接面在跨中，用结构胶粘合，极限弯矩平均值仅为0.071 kN·m，约相当于第一组原材试件的46%，断口在拼接面，突然折断，其弯曲抗拉能力取决于胶的正粘结强度，结构胶的正粘结强度一般仅2.5～3.5 MPa，远低于木材纤维的弯拉强度，所以拼接截面不能单靠粘合加固。第三组试件拼接面在跨中，用结构胶粘合，下缘粘贴单层碳纤加固，极限弯矩实测平均值0.28 kN·m，没有折断，破坏是支点横纹受挤压破坏，见图6。破坏前试件明显弯曲，碳纤未剥落，上缘受压区亦未见挤压破坏。实测极限弯矩是无接口的原材试件的1.8倍。

图6　支承点挤压破坏后的拼接木试件

5.4基本结论

（1）受弯木杆件截面拼接，采用直接粘合无效，受弯时在粘合面折断；

（2）受弯木杆件截面拼接，杆件下缘经碳纤加固后抗弯承载力不会低于全截面的杆件；

（3）粘贴单层碳纤维加固有断口的试件比未经加固的无断口的整根试件抗弯承载力可提高35%以上；

（4）受弯木杆件经碳纤加固后，可避免下缘木纤维受拉突然拉断所出现的脆性破坏。

6　计算验证：

参照《碳纤维片材加固混凝土结构技术技术规程》和木材抗弯特性，弯曲破坏时受压区出现较大的塑性变形，推导碳纤加固木杆件的计算公式（推导另详附件“木梁拼接截面碳纤加固抗弯承载力”）：

式中：εcu为木材顺纹受压极限压应变，可取0.006～0.008；εy为木材顺纹受压比例极限应，可取0.002～0.004［4，5］；εfil为碳纤片材极限拉应变，取0.014；Af为碳纤面积计算值（mm2）；Ef为碳纤弹性模量，取210 000 MPa；fcu为木材极限抗弯强度；b，h为矩形截面的宽、高，mm。为与试件实测值对比，取h=20，b=30，εcu=0.008，εy=0.003，εfu=0.014，fcu按实测值计算抗弯极限强度77 MPa。

计算结果是：

Mu=0.232 kN·m，Af=4.64 mm2

计算值Mu=0.232 kN·m小于实测值0.28 kN·m，计算值约为实测值的82%，碳纤面积计算值Af= 4.64 mm2，实用值 5.01 mm2。

由于材质的离散性影响了参数的取值，理论值与实验值的差异是正常的，抗弯强度的理论值低于实测值，说明按理论公式计算还是比较接近实际且偏向安全。