某木结构连廊横梁荷载试验对比分析研究

易 鑫，黄旭刚，李 刚

(1.湖南华城检测技术有限公司,湖南 长沙 410017； 2.湖南中腾土木工程技术有限公司,湖南 长沙 410017)

0 引言

木结构作为中国传统的建筑形式，其材料主要以木材、砖瓦为主，结构形式主要为木构架结构，通过众多木构件的组合而形成框架结构体系，其柱网平面均采用均衡对称的布局。建造的结构主要由立柱、横梁、顺檩等主要构件组成,各构件之间的连接结点以榫卯相吻合,构成具有弹性的框架结构。

1 工程概况

该工程建筑连廊主体结构形式主要为木结构[1]，建筑高度5.83 m，木结构部分柱、梁、檩、枋等使用优质老杉木，材料等级为TC13A，结构设计安全等级为二级，设计使用年限为50 a，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6度。水的质量分数小于12%。该木横梁截面为圆木，该廊架跨度为4.9 m，木横梁材料强度和弹性模量如表1所示，建筑结构图如图1，图2所示。

表1 木横梁材料强度等级和弹性模量 N/mm2

2 木结构连廊横梁加固方法

经过现场检测，该木结构连廊横梁存在较宽裂缝，且裂缝深度延伸已超过横梁中心线，裂缝长度贯穿至梁柱节点位置。

综合本工程的实际情况，在不改变木结构体系的情况下，通过加强木结构整体性、提高结构承载能力以及经济合理的原则对结构进行加固。具体加固方法如下：

1)通过对该木结构连廊横梁的裂缝采取注结构胶封闭处理。

2)由于碳布的抗拉强度高于木材，同时还能通过环向约束增加其承载力。故采用碳纤维布[2-3]的加固方式对木结构连廊横梁进行加固，在横梁底部2/3周长范围内顺木纹贴碳布两层[4]，并环贴碳布@300。加固设计图详见图3。

3 荷载试验方案

3.1 荷载计算

根据现行GB/T 50329—2012木结构试验方法标准的规定，试验标准荷载Pk=1.0×活载。由于该木屋盖大部分自重已经施加，仅屋面活荷载未施加。故本次荷载试验[5]施加荷载仅计算屋面活荷载。

依据GB/T 50329—2012木结构试验方法标准[6]、GB 50005—2017木结构设计标准[7]、GB 50009—2012建筑结构荷载规范[8]的规定，本次木横梁荷载试验的荷载计算过程如下：

该工程4.0 m跨度横梁，活荷载取值为0.5 kN/m2，横梁跨度L=4.0 m，横梁间距为4.1 m，横梁上立柱受荷宽度为1.225×3 m=3.675 m，单个立柱集中荷载Pm：Pm=(1.0×活载×横梁间距a× 横梁上立柱受荷宽度b)/2，横梁所受立柱集中力(试验荷载)：Pm=3.77 kN。单个立柱最大试验荷载Pm(检验荷载)及每级荷载值如表2所示。

表2 木横梁单个立柱最大试验荷载Pm(检验荷载)及每级荷载值表

3.2 加载制度

1)本工程试验的木横梁跨度为4.0 m，本次试验采用在横梁立柱处布置集中荷载的方式进行加载，荷载材料选用液体材料(水)，加载方式示意图如图4所示。

2)试验预加荷载标准值应分五级加载，两级卸载，第一级加载至预加荷载标准值的20%，第二级加载至40%，第三级加载至60%，第四级加载至80%，第五级加载至100%；第一级卸载至预加荷载标准值的50%，第二级卸载为100%。加载至预加荷载标准值之前每级加载的时间间隔为10 min，持荷10 min之后读取百分表读数，加载至预加荷载标准值时，持荷时间为30 min，卸载持荷时间均为15 min。

3.3 测点布置

在该工程所测木横梁构件的两端点及跨中位置安装3个百分表记录变形量，测点布置示意图详见图5，现场荷载试验详见图6。

3.4 跨中实测挠度测量

根据规范要求[9]，采用水准仪或全站仪对该工程在现有状态下(未增加试验荷载)木横梁进行挠度测量。选取木横梁下沿中央点及下弦两端点，计算在现有状态下的挠度值。具体检测程序及方法如下：

1)在A点处设置水准仪。

2)通过A点测出木横梁下沿中央点及下弦两端点的高程H。

3)根据各测点的高程值，按式(1)计算即可得到中点及下弦两端点的挠度：

fi=(H1-Hi)-L1i/L×(H1-H2)

(1)

其中，H1为端点1高程值；H2为端点2高程值；Hi为测点i高程值；fi为i点处挠度值；L1i为端点1至测点i水平距离；L为端点1至端点2水平距离。

3.5 挠度计算

1)各级荷载作用下的跨中挠度实测值，按式(2)计算(1点、3点为两端测点，2点为跨中测点)：

(2)

2)试验荷载作用下的跨中挠度，按式(3)计算：

ωs=ωi

(3)

4 加固前后荷载试验结果

4.1 初始挠度检测

根据规范要求，采用水准仪对该工程在加固前后初始状态下(未增加试验荷载)木横梁进行挠度测量。具体检测结果如表3所示。

表3 木横梁初始挠度检测结果表 mm

4.2 试验结果

按照加载方案进行木横梁加载试验，加固前荷载-变形图如图7所示，加固后荷载-变形图如图8所示，具体的试验数据如表4所示。

表4 木横梁试验数据表 mm

4.3 试验后构件损伤检查

根据GB/T 50329—2012木结构试验方法标准、GB 50206—2012木结构工程施工质量验收规范[10]的规定对本次加固后的木横梁荷载试验过程中的破坏情况进行目测检查。检查结果如下：

1)试验过程中及试验后，未发现该加固后木横梁发生承载力破坏和连接节点破坏。

2)试验过程中及试验后，未发现该加固后木横梁原有顺纹裂缝明显扩张及新裂缝的产生。

3)试验过程中及试验后，未发现该加固后木横梁挠度有急剧增大现象。

4.4 试验结论

通过加固前、加固后试验数据比对结果表明：该木横梁加固前在试验荷载作用下的挠度值为0.271 mm，加固后在试验荷载作用下的挠度值为0.236 mm。该木结构连廊横梁在加固后的试验荷载作用下的变形性能提高了13.9%，变形性能得到改善。加固前后试验数据比对如表5所示。

表5 木构件加固前、加固后试验数据比对结果表

5 结语

根据现行木结构的相关规范对某木结构连廊横梁裂缝采用注结构胶封闭、木横梁整体采用碳纤维布加固的处理方法，并在加固前后分别进行静荷载试验检测，试验结果表明，该木结构连廊横梁加固后在试验荷载作用下，无明显受损情况，且挠度变形得到有效改善，其受弯承载力可提高约13.9%。可为其他类似工程提供参考。