FRP材料增強木結構研究綜述

沙 洲，朱曉冬

(東北林業(yè)大學材料科學與工程學院，哈爾濱150040)

木材作為天然建筑材料，已為人所沿用數(shù)千年。時至今日，在我國乃至世界范圍仍有許多木質(zhì)建筑屹立依舊，成為蘊含文化歷史價值的珍貴物質(zhì)文化遺產(chǎn)。不同地區(qū)形制多樣的木結構建筑根植于各自文化背景，功能性因地制宜，散發(fā)著獨特的魅力。建筑材料領域中，木材的環(huán)境友好與可再生特性，在近來倡導資源可持續(xù)利用的背景下重新引起了人們的高度重視。木結構輕巧而易于建造，但木材因其天然生物材料的固有特性，在用作結構主體時亦存在著不可避免的問題，如易受蟲害及侵蝕，異向強度不同，等等。另外，材料天然缺陷以及建筑物荷載的改變都導致木結構需要經(jīng)常維護以對原有結構進行修整和增強［1－2］。目前，如何對木結構進行增強與加固保護，提高其性能與耐久度已成為近年來相關研究的熱點問題。

FRP(Fiber Reinforced Plastic)是纖維復合增強樹脂的統(tǒng)稱，屬于復合材料范疇。其結合了纖維增強材料和樹脂粘結劑的優(yōu)點，自重輕，強度高，裁剪容易，施工簡單，且不影響原有結構。常見的FRP增強材料有CFRP和GFRP等，外觀與性能均有不同。使用FRP材料增強木結構能夠避免傳統(tǒng)加固法如加釘、嵌縫加箍、粘貼金屬板、化學灌漿等方法中對原有結構的破壞與化學腐蝕污染，同時可以在基本保持外觀的條件下顯著提升木結構強度和耐疲勞性能。本文通過對國內(nèi)外利用不同纖維增強材料加固木結構研究成果的總結，分析了研究現(xiàn)狀，并指出其中不足，且對FRP加固木結構的應用前景加以展望。

1 對使用FRP材料增強木結構力學性能的研究

1.1 抗剪性能

剪切破壞是木結構受損的主要表現(xiàn)之一，使用FRP材料增強是提升其抗剪性能的有效手段，更高的破壞極限可以使得木結構的剛性與承載力均得到加強。Triantafillou對粘貼U型CFRP箍的木梁的抗剪性能試驗，并使用不同粘貼厚度和方向的CFRP布進行抗剪性能實驗，發(fā)現(xiàn)通過CFRP布材加固后的木構件的抗剪強度得到了明顯提升［3］。同時加固后的木構件在試驗中抗彎性能、延性和剛度等都得到了可觀的加強。S.Hay等進行了對豎向和斜向粘貼GFRP材料加固木梁受剪承載力的試驗研究，研究結果表明，不同的粘貼方法加固效果是不同的。其中豎向粘貼GFRP加固木梁的受剪承載力提高16.4%，而斜向粘貼GFRP加固木梁的受剪承載力提高34.1%。其因此提出了在加固時斜向粘貼frp材料以獲取更佳性能［4］。Marco Corradi等通過實驗測試了使用GFRP增強木樓板的抗剪切強度。經(jīng)過實驗和數(shù)值分析對比，實驗數(shù)據(jù)表明使用GFRP增強后木樓板的抗剪切強度和剛度較之對照組木樓板得到了明顯提高［5］。R.Velmurugan，V Manikandan以玻璃纖維與棕擱樹纖維，制備出兩種不同結構的纖維混合材料，并分別研究測試了以棕擱纖維與玻璃纖維隨機混合與玻璃纖維表層、棕櫚纖維芯層的復合材料的物理力學性能。實驗結果說明了兩種結構復合材料的抗剪切強度、抗拉強度、沖擊韌性和抗彎性能都有較大的提高，同時吸濕性下降，機械性能得到提高。另外，玻璃纖維表層、棕櫚纖維芯層的復合材料的各項物理力學性能均優(yōu)于隨機混合纖維材料［6］。

近年來，我國科研人員對使用FRP增強木結構抗剪性能的研究也有所增加。許清風等對利用CFRP布增強木梁的抗剪性能進行了實驗。實驗研究了使用CFRP增強的木梁之受剪承載性能，并對13根試件木梁增強前后受剪承載力的變化進行分析。實驗結果表明，粘貼CFRP布增強木梁不僅可提高其抗剪性能，還可加強其剛度從而獲得更大承載能力［7］。王鯤進行了CFRP增強矩形木梁受剪承載力的試驗研究。其實驗中使用7根矩形木梁進行受剪荷載對比實驗，研究了順紋方向剪切破壞與斜截面剪切破壞的兩種主要受剪破壞形態(tài)，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對這兩種剪切破壞形態(tài)發(fā)生的條件進行了計算分析，提出了相應的加固方法［8］。淳慶，潘建伍研究了碳纖維與芳綸纖維混雜纖維布增強木梁的抗剪性能，進行了12根試件的抗剪實驗。實驗分析了破壞形式、載荷與應變關系的規(guī)律并建立了碳－芳綸纖維混雜纖維布加固矩形木梁的抗剪承載力計算公式。指出了木梁截面中和軸位置最易發(fā)生受剪破壞，并由此提出對策:在施工中應盡量避免木梁的中和軸位置附近出現(xiàn)節(jié)疤、斜理紋等缺陷［9］。

1.2 抗彎性能

Plevris等在1992年對木梁和木柱的張拉面粘貼單向纖維布的抗彎性能進行了實驗，并首先在學術期刊上發(fā)表了實驗報告［10］。Blas對FRP加強膠合層木的抗彎性能進行了試驗研究，比較了底板粘貼和夾心粘貼的參數(shù)影響，實驗證明使用FRP增強膠合層木可以提高其抗彎性能，在應用中效果良好［11］。Marco Corradi，Antonio Borri通過實驗測試了對冷杉和栗樹木梁使用GFRP材料進行加固前后的抗彎剛度以及材料強度。實驗結果表明使用GFRP材料加固試件木梁可以明顯提高其抗彎性能，實驗木梁的承載能力也得到了顯著增強［12］。Dagher等在研究中分別使用CFRP與GFRP對木梁進行增強，并對性能進行對比，指出等量使用CFRP相比GFRP具有更好的增強效果，使木梁的抗彎強度和彈性模量提升幅度更大。但從成本效能上看，使用GFRP更為經(jīng)濟［13］。Lopez Andio等進行了使用GFRP布對兩跨連續(xù)膠合木梁進行加固的試驗研究。實驗對使用不同方法粘貼GFRP布的增強效果進行了對比，結果表明，在上下兩面粘貼兩層水平向GFRP布加固膠合木梁不僅使極限承載力提高了47%，也使得剛度和延性也得到改善。而粘貼兩層斜向45°方向的GFRP布加固膠合木梁的極限承載力沒有明顯提高［14］。值得注意的是，S.Hay也曾提出斜向粘貼FRP材料以增強抗剪性能，但并不與此結論沖突。以上研究結果說明了在對木結構使用FRP材料增強時，應根據(jù)具體受力情況進行分析，靈活運用方法以達到最好的效果［4］。馬建勛等對使用CFRP加固的矩形截面木梁進行了抗彎性能實驗，實驗表明使用CFRP材料增強后，木梁的抗彎極限承載力得到了顯著提升，性能得到改善［15］。王全鳳等經(jīng)過實驗指出，在木梁受拉區(qū)粘貼GFRP是提高其抗彎性能的有效方法。試驗中，木梁經(jīng)過單層GFRP增強后抗彎極限承載能力提高了31%，使用雙層GFRP增強后，承載力提高45%，性能表現(xiàn)優(yōu)于單層加固。在試驗研究的基礎上，推導出與各種破壞類型相對應的杉木梁和使用GFRP增強后杉木梁的極限承載力計算公式，并對各試驗梁的極限抗彎承載力進行了計算，計算結果與試驗結果吻合良好［16］。曹海等經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)在木梁受拉區(qū)設置FRP材料加固層可以有效加強木梁的抗彎性能，提高承載能力。試驗使用了GFRP和GFRP兩種材料進行對比，發(fā)現(xiàn)CFRP加固層的加固效果更佳:在兩組試件受拉區(qū)域分別粘貼單層GFRP與CFRP，使用GFRP增強后承載力提高了17.69%，而使用CFRP增強可使木梁承載力提高 30.61%［17］。

2 對木結構使用預應力FRP材料增強的研究

預應力能夠抵消部分載荷，對構件施加預應力可以提高構件剛性、減小彈性形變，從而提高構件的極限承載能力。早在1962年，Bohanan曾設想在木結構中施加預應力，并對此進行了初步探索，但因為沒有適合應用的預應力材料而未能繼續(xù)深入研究［18］。最早成功研究對FRP增強木結構施加預應力的是希臘佩特羅大學教授Triantafillou。1992年，他提出將預先拉張的纖維布粘貼于持載木梁的受拉面，待達到粘結強度后釋放，從而實現(xiàn)使用預應力FRP材料增強木質(zhì)梁結構。其在實驗室環(huán)境下對于此類預應力FRP增強木梁進行的抗彎性能試驗表明，施加預應力后構件的強度較之普通木梁可以提高30%左右，較之非預應力FRP增強木梁也可提高約15%。值得注意的是，其實驗表明經(jīng)過預應力FRP材料增強的木梁剛度得到了明顯提高，證明了預應力增強的優(yōu)勢［19－20］。瑞士聯(lián)邦材料研究實驗室 (Swiss Federal Materials Research Laboratory，即EMPA)研制出了斜向錨固系統(tǒng)以便于穩(wěn)定地對FRP施加預應力，并申請了相應專利［21］。王鋒，王增春，何艷麗，等對預應力纖維材料加固木梁進行理論分析，給出了在預應力條件下粘結應力的解析解，并提出了以預彎法施加預應力，較為簡單實用［22］。牛赫東，吳智深研究了使用預應力FRP材料增強的重點和問題，提出了避免應用中預應力FRP材料端部剝離破壞的建議:在保持補強截面積不變的條件下，盡量增大FRP的寬度;在端部附近使用低剛度、高強度的粘結材料;在端部附近逐步減小FRP的厚度以及在端部附近逐步減小FRP中的預應力。在研究使用預應力FRP材料的一些實驗中，往往出現(xiàn)材料拉張端由預應力引起的剪應力集中現(xiàn)象。實驗中發(fā)現(xiàn)，施加預應力過大可能會導致結構荷載前發(fā)生剝離破壞［23］。因此，在應用預應力FRP材料對木結構進行增強時，應當注意此類情形，并加強對預拉張端部的處理［24－25］。

3 FRP粘結性能相關研究

現(xiàn)實中使用FRP材料增強木結構需要將纖維增強樹脂通過粘結劑的作用與木結構復合，因此FRP的粘結性能直接關系到復合材料的整體性能。為此美國緬因大學Yong Hong等對木材與FRP復合界面的耐疲勞性能與抗斷裂性能進行了研究，指出了膠接界面的粘結強度在很大程度上直接決定了使用FRP增強后的木材工程復合材料之性能［26］。Barbero，E等研究了FRP布與木構件的界面粘結性能，研究結果表明，用結構膠粘貼FRP布可保證界面剪力的有效傳遞，但潮濕條件下界面粘結強度明顯惡化。經(jīng)實驗，潮濕試件界面剪應力僅為對照組干燥試件的43%［27］。Vick等通過實驗對多種類型的粘結劑與不同樹種間的粘結性能進行了研究。研究進行了干濕循環(huán)實驗，結果表明，使用耦合劑HMR(甲基間苯二酚)能夠提高粘結強度，在干濕循環(huán)環(huán)境中性能優(yōu)勢明顯［28－29］。Jed S.Lyon。等將黃松木使用鉻砷酸化銅 (CCA)處理后進行測試，通過實驗研究，指出了使用HMR可全面提高粘接強度。實驗中同時也對不同表面粗糙度對復合FRP粘結強度的影響進行了對比研究。實驗中使用了100 grit的砂紙對木材表面進行打磨，結果表明表面粗糙度粘結強度的影響不明顯［30］。Davie對不同類型的粘結劑性能進行了研究，指出環(huán)氧樹脂相比于比傳統(tǒng)的甲醛基粘結劑 (traditional formaldehyde－based adhesive)更適用于改善FRP與木材的粘結性能［31］。而Kim等的研究也表明，用環(huán)氧樹脂類粘結劑能很好地保證木與FRP界面的粘結強度［32－33］。印度的安納馬萊大學(Annamalai University)的V.Srinivasan在微觀環(huán)境下對GFRP材料進行了分析。其利用電子掃描顯微鏡對不同纖維長度的gfrp材料進行了對比分析，指出使用環(huán)氧樹脂復合短纖維玻璃纖維材料磨損率更高［34］。

4 其他相關研究

C.P.Pantelides，P.Romero，L.D 對使用GFRP增強后木桁架的抗拉性能進行了研究，通過實驗，證明了通過GFRP增強手段可以使得木桁架的抗拉性能明顯增強，在復合桁架自重和地震載荷下抵抗能力顯著增加［35］。Lawrence A Soltis等研究了GFRP增強螺栓結合緣。實驗結果表明，對木纖維紋理垂直方向的強度提升達200%，纖維紋理平行方向的連接強度也得到33%的提高，同時抗拉伸性能也得到了加強［36］。Van de Kuilen等通過試驗研究發(fā)現(xiàn)，在受拉而或受壓力面粘貼等量的GFRP布對木梁剛度的提高效果無明顯差異［37］。Gilfillan通過在受拉面和受壓面粘貼frp加固木質(zhì)梁的對比試驗中，發(fā)現(xiàn)和證明了在受拉面粘貼frp可以取得更好的加固效果［38］。Plevirs等對FRP加固木梁的徐變進行分析，并在研究中利用粘彈性模型考慮溫濕效應和徐變時效特性，建立了時間、溫度、濕度的應變函數(shù)［39］。賀微粒等研究了采用浸膠玻璃纖維布強化方法制造楊木膠合板模板。研究以楊木膠合板模板的彈性模量為指標，分析了玻璃纖維布浸膠量、偶聯(lián)劑用量、玻璃纖維布上下面單板涂膠量等對材料性能的影響。在試驗確定的優(yōu)化工藝條件下模板的縱、橫向彈性模量分別提高23.6%和35.4%，縱、橫向靜曲強度分別提高了24.5%和65.3%［40］。程麗美，黃慧，朱一辛研究了玻璃纖維對楊木單板層積材彎曲性能的增強效果。試驗結果表明:玻璃纖維對楊木單板層積材的橫向靜曲強度、彈性模量均有明顯增強效果，且對橫向靜曲強度的增強幅度更大。經(jīng)實驗，試件橫向靜曲強度值提高了79.6%［41］。

5 結束語

目前對于使用FRP材料增強木結構的相關研究，國內(nèi)外學者已進行了積極的探索。總體來講，國外相關研究成果較之國內(nèi)同行在數(shù)量與研究范圍上均處于相對的領先地位［42］。在我國，木結構建筑應用廣泛，并有大量的古代木結構建筑遺存亟待加固與保護;此外在低碳環(huán)保的理念下，木材必然得到更為廣泛的應用，因此有必要加強該方面的研究。目前對于FRP增強木結構的研究已經(jīng)形成了一定規(guī)模，但仍存在需要繼續(xù)深入探討之處:

(1)應結合我國特色木結構風格，進一步研究使用FRP加固榫卯結構等的性能提升。

(2)應加強使用FRP增強后木結構在自然環(huán)境下抗老化與侵蝕的研究。

(3)另外，防火性能是木結構的一大缺陷，研究FRP增強材料對木結構防火性能的改善也是值得注意的問題。

經(jīng)過人類數(shù)千年的應用，木結構建筑體系至今仍在不斷創(chuàng)新與完善之中。隨著時代進步以及科學技術的發(fā)展，對于木材本身性能的加強必然對木結構的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響，而使用高性能、低成本的FRP復合材料增強木結構的研究將得到進一步的發(fā)展和應用。

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