FRP的特性及其在加固木結構中的研究與展望

謝德強

(四川煙草工業(yè)有限責任公司綿陽分廠)

我國傳統(tǒng)建筑文化博大精深，木結構是其主要結構形式之一，它傳承和凝聚著中華民族的深刻文化內(nèi)涵和優(yōu)良傳統(tǒng)，具有極高的文物、歷史和藝術價值，是世界建筑藝術的珍寶。目前，我國仍存有數(shù)量龐大的木結構民居、橋梁、寺廟等建筑，是重要的歷史和建筑文化遺產(chǎn)，如馳名中外的北京故宮和山西應縣木塔等，需要長期作好保護工作。在美國、日本和韓國等發(fā)達國家，也有很多的傳統(tǒng)木結構，且近年來涌現(xiàn)了不少新型木結構，主要是別墅和多層住宅。由于木材強度(特別是橫紋抗拉及抗壓強度)和彈性模量低、易老化、天然缺陷多(主要是木節(jié)、斜紋和裂紋)、且易受地震破壞、微生物侵害、洪水沖擊和雨水侵蝕等缺點，因此需要對木結構進行頻繁地維護和修復;除此之外，因建筑物使用功能和荷載的改變，容易導致結構受力和變形發(fā)生變化，有時甚至引起破壞，因此也需要對木結構進行相應的改造和補強。

1 木結構加固的常用方法

通常情況下，木結構的主要受力部件是梁、柱等構件和節(jié)點，損傷和破壞通常也出現(xiàn)在上述部位，因此，木結構的加固與修復主要是對構件和節(jié)點的增強。常采用的主要加固方法有嵌補、剔補、螺栓加固法、拉桿法、化學灌漿、附加梁板法和局部更換法等。這些方法在符合一定的條件下能夠對木結構起到加固和修復作用，但同時也帶來了一些新的問題：(1)工序多，施工時間較長;(2)某些方法具有嚴格的條件限制，不便于推廣應用;(3)在提高構件的強度和剛度的同時，往往又破壞了建筑原貌，有的還會引起化學腐蝕或銹蝕等問題，違背了《古建筑木結構維護與加固技術規(guī)范》規(guī)定的“修舊如舊”原則。隨著纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Plastics)(簡稱FRP)在土木工程中越來越廣泛的應用，人們開始關注將其運用到木結構的加固與修復中。

2 FRP的特性與分類

FRP被認為是繼混凝土和鋼材之后的“第三大現(xiàn)代結構材料”，其主要由碳纖維、玻璃纖維等高性能纖維，經(jīng)過聚酯基或環(huán)氧樹脂等基體膠合后擠壓、拉拔成型。具有重量輕(密度約為鋼材的25%)、抗拉強度高(顯著超越普通鋼筋)、幾何可塑性大、易于裁剪成型、抗腐蝕性和耐久性好、絕緣絕熱性能好、可設計性強、施工快捷周期短等特點，近年來在土木工程領域中得到了飛速地發(fā)展。同時，由于不同纖維的化學成分不同，所以，不同的FRP其力學性質差異往往比較大，且通常是各向異性材料。土木工程實踐中常見的FRP復合材料，從材料形狀上分，主要有片材、筋、棒和索等;從纖維種類上分，主要包括碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料、玄武巖纖維復合材料和芳綸纖維復合材料，分別簡稱為CFRP、GFRP、BFRP、AFRP。目前，F(xiàn)RP 在土木工程中的應用已涉及建筑結構、橋梁結構、地下結構以及海洋和近海結構等，主要體現(xiàn)在加固、修復舊有結構和直接應用于新建結構兩個方面，特別在混凝土結構和鋼結構的加固與修復方面取得了豐富的研究和應用成果，但在加固木結構方面的研究還相對較少，發(fā)展也較緩慢。

3 FRP加固木結構的研究現(xiàn)狀

由于FRP材料的諸多優(yōu)點，國內(nèi)外學者已對其開展了大量的研究工作，并在混凝土結構、砌體結構和鋼結構中大量運用，取得了很好的加固效果和社會經(jīng)濟效益，但在木結構中的實際應用還很少。

3.1 國外的研究現(xiàn)狀

美國、歐洲等發(fā)達國家于上世紀90年代初便開始了FRP(主要是CFRP)加固木結構的研究工作。目前，整體還處于起步階段，已開展的研究工作主要集中在FRP增強梁、柱等構件的短期性能和長期性能方面。

(1)短期性能方面。主要通過試驗，對粘貼FRP(主要是CFRP)后木梁的受彎、受剪性能和木柱的受壓性能進行了研究，結果表明，纖維布與木梁基本能共同變形，協(xié)同工作較好，加固后的木梁在抗彎、抗剪強度、剛度和延性等方面均有顯著的提高，CFRP加固后木柱的承載力也有較大地提高。另外，Triantafilluo還通過試驗研究了預應力CFRP增強木梁的效果。試驗結果表明，施加預應力后木梁的強度與未施加預應力CFRP梁和普通木梁相比約分別提高15%和30%，剛度也提高明顯，證明施加預應力是一種較好的增強方式。

(2)長期性能方面。Plveris，David分別通過恒溫恒濕恒載試驗和恒溫變濕恒載試驗研究了FRP加固木梁后徐變的變化規(guī)律，并提出了采用粘彈性模型建立關于時間、溫度和濕度的應變函數(shù)分析徐變的方法，研究結果表明，F(xiàn)RP加固后構件的初始變形和徐變變形明顯小于未增強的木梁，利用FRP加固木構件既可提高構件的承載力，又能明顯地減小徐變的影響。

3.2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

和發(fā)達國家相比，我國關于FRP加固木結構的研究工作開展較晚，基本上從本世紀初才開始進行嘗試性的工作。近年來，逐漸成為了研究的熱點問題。開展的研究工作主要也是針對FRP(大部分是CFRP)或預應力FRP加固后木梁、木柱等構件在靜力荷載作用下的力學性能進行。楊會峰，王鯤分別對FRP增強膠合木梁受彎性能和FRP加固木梁的抗剪破壞形態(tài)開展了試驗研究。結果表明：FRP增強后構件的受彎極限承載力和剛度提高明顯;木梁的受剪破壞形態(tài)有順紋剪切破壞和斜截面剪切破壞兩種。周鐘宏、魏洋、李世宏相繼對FRP加固后的木柱開展了軸心受壓試驗，分析了纖維布加固木柱的破壞特征和受力性能，并給出了受壓承載力的計算公式。文獻采用理論分析方法，給出了預應力纖維材料加固后木梁在預應力條件下粘結應力的解析解，并提出了預彎法這一較為簡單實用的預應力施加方法。

4 展望與建議

由于我國現(xiàn)仍存有數(shù)量巨大的木結構，需要經(jīng)常性地進行維護和加固，這對于具有優(yōu)異性能的FRP材料來講，其在木結構中的應用無疑將具有廣闊的發(fā)展前景。因此，尋求合理可行的FRP加固木結構的設計方法顯得十分突出和重要。為促進FRP在木結構中的廣泛應用，作者建議尚需在以下幾個方面開展大量的研究工作。

(1)加大新型FRP材料的研發(fā)力度。盡管目前常采用的CFRP、GFRP等材料能夠起到較好的加固效果，但材料自身仍存在著彈性模量低、徐變大、不耐磨等缺點，這些缺點會較大地影響結構的受力和變形，有時甚至會引起破壞，因此，有必要研發(fā)性能更加全面的FRP復合材料。

(2)深入開展理論研究和試驗研究工作。目前關于FRP加固木結構的國內(nèi)外研究，主要集中于單個構件的靜力性能，采用的方法絕大多數(shù)是試驗研究，理論研究很少，且試驗研究開展尚不充分，無論是研究對象和試驗的數(shù)量都還遠遠不夠，得出的計算公式適用性較差，難以推廣。因此，需要在理論研究和試驗研究方面投入更多的精力。

(3)FRP加固木結構耐火極限、防火設計方法的研究和設計規(guī)程的制定。迄今為止，國內(nèi)外尚沒有制定有關FRP加固結構防火設計方面的規(guī)程，也沒有相應的設計規(guī)范頒布，這阻礙了FRP在木結構中的推廣和應用，因此制定該類結構防火設計方法和設計規(guī)程，對于克服木材耐火性差的缺點，提高防火能力促進工程運用，具有迫切的現(xiàn)實意義。

(4)加強FRP加固木結構后構件和節(jié)點的動力性能研究和整個結構體系的力學性能研究。從前面的文獻綜述可以看出，目前，在該方面的研究很少，尤其是對加固后整個結構體系的力學性能(特別是抗震性能)的研究更少。然而木結構在使用過程中，除了受到靜荷載作用外，還會受到地震、洪水等動態(tài)作用。因此，非常需要開展構件和節(jié)點特別是整個結構體系的動力性能研究，提高整個結構體系的力學性能，尤其是抗震性能。

(5)進一步加強粘結膠的研究。和利用FRP加固混凝土等結構一樣，在FRP加固木結構中，粘結膠的性能也是影響加固質量的重要因素。因此需要進一步加強對粘結膠的研究、開發(fā)與應用。

(6)FRP加固木結構的施工質量問題。由于木材的性能不同于混凝土和鋼材，能否直接將較成熟的加固混凝土結構和鋼結構的施工工藝用于加固木結構，還需要進一步的試驗研究。

(7)繼續(xù)完善FRP加固木結構徐變和疲勞特性的研究。

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