CFRP布包鑲加固底部糟朽木柱軸壓試驗

周乾　閆維明　慕晨曦　楊慧

摘 要：為探討適用于糟朽柱根的有效加固方法，提出了采取CFRP布代替鐵箍來包鑲加固古建木柱柱根的方法.制作了6個模型，其中部分模型考慮柱根糟朽，并采用CFRP布進行包鑲加固.采取靜力加載試驗方法，研究了CFRP布包鑲加固前后木柱的軸壓受力性能.基于試驗結(jié)果，獲得了木柱的力變形曲線、力應(yīng)變曲線、極限承載力及延性性能，討論了CFRP布包鑲層數(shù)對加固效果的影響.結(jié)果表明，采用CFRP布包鑲加固柱根后，木柱極限承載力可恢復(fù)81.4%～92.4%左右，延性性能恢復(fù)87.3%～95.8%左右，水平及豎向峰值壓應(yīng)變均有不同程度提高.當(dāng)CFRP布包鑲層數(shù)為3層時，木柱柱根加固效果最明顯，但加固后的木柱承載性能略低于完好木柱.

關(guān)鍵詞：木柱柱根；包鑲加固；CFRP布；軸心受壓；試驗

中圖分類號：TU366.2 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）03-0120-07

中國的古建筑以木結(jié)構(gòu)為主，具有重要的文化和歷史價值，保護意義重大.然而，由于木材材性缺陷，古建筑不可避免地會出現(xiàn)殘損問題，典型問題之一即為柱根糟朽.坐落于柱頂石之上的柱根，很容易受到雨水侵蝕而產(chǎn)生糟朽，并威脅到結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性.包鑲是我國傳統(tǒng)的用于柱根加固的技術(shù)之一，主要用于糟朽深度較小的柱根加固.一般來說，當(dāng)柱根圓周的一半或一半以上表面糟朽，糟朽深度不超過柱徑的1/5時，可采取包鑲的做法[1].包鑲即用鋸、扁鏟等工具將糟朽的表皮剔除干凈，然后按剔鑿深度、長度及柱子周長、制作出包鑲料，包在柱心外圍，使之與柱子外徑一樣，平整渾圓，然后用鐵箍將包鑲部分纏箍結(jié)實，見圖1.

包鑲法雖然在一定程度上提高糟朽木柱的受力性能，但也存在如下3個問題：1） 鐵箍長時間暴露在空氣中，容易產(chǎn)生銹蝕，從而導(dǎo)致加固效果降低甚至失效；2） 鐵箍包裹木柱時，往往通過鉚釘固定鐵箍與木柱，而鉚釘對木材具有一定破壞作用；3） 包鑲后的柱根仍暴露潮濕環(huán)境中，長時間潮濕環(huán)境下仍將產(chǎn)生糟朽問題.

碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP， Carbon Fibre Reinforced Plastic）是由碳纖維和樹脂基體兩種不同性能、不同形態(tài)的組分材料通過復(fù)合而成的一種多相新型復(fù)合材料，具有比強度高、自重輕、耐腐蝕性強、易設(shè)計、易裁剪等優(yōu)點.目前，CFRP材料已廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程加固領(lǐng)域，并不斷地顯示其優(yōu)越性.相應(yīng)地，國內(nèi)外部分學(xué)者開展了CFRP布加固木柱的研究，主要成果包括：許清風(fēng)等[2-3]通過對試件不同高度位置的橫截面全部切開來模擬局部糟朽柱子，研究了包裹一層CFRP布后，上述柱子受壓承載力的恢復(fù)情況，認為柱子的受壓承載力和延性性能均可恢復(fù)；李向民等[4]研究了CFRP布加固舊方木柱的受壓承載力，認為包裹CFRP布后，舊木柱的受壓承載力可提高26.6%，延性系數(shù)可提高60.5%；淳慶等[5]研究了嵌入式CFRP筋加固圓木柱的軸心抗壓性能，認為木柱的軸心抗壓強度可提高6.2%～47.1%；Taheri等[6]進行了CFRP加固長細比為16的膠合方木柱試驗研究，認為可提高方木柱60%～70%的極限承載力.Jonathan[7]采用CFRP棒加固局部殘損木柱，并提出了加固計算公式.Roberto等[8-9]提出了采用FRP材料修復(fù)碼頭木柱的思路，并通過試驗論證了方案對于提高木柱極限受壓承載力的可行性.

本文基于以上成果，采取靜力試驗手段，開展CFRP布包鑲加固底部糟朽木柱軸壓受力性能的研究，提出可行性建議，結(jié)果可為我國木構(gòu)古建筑保護和維修提供理論參考.

1 試驗概況

試驗選用故宮大修常用的紅松材料，制作圓形木柱模型（試件）.根據(jù)中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所提供的參數(shù)，木材順紋抗壓強度為34.6 MPa，彈性模量為9 316 MPa，密度為460 kg/m3，含水率約為13.2%.加固木柱所用的CFRP布材料由北京卡本工程技術(shù)研究所有限公司提供，碳布型號為CFS-Ⅱ-200，公稱厚度為0.111 mm，抗拉強度為3 004 MPa，受拉彈性模量為2.30×105 MPa，伸長率1.5%；配套的碳纖維膠型號為CFSR-A/B，抗拉強度為52 MPa.以故宮某古建木柱為對象，制作了1∶2縮尺模型.木柱模型截面直徑為180 mm，長1 500 mm，數(shù)量共6個，包括完好木柱1根，1層CFRP布包鑲2根，2層CFRP布包鑲2根，3層CFRP布包鑲1根.各試件編號及加固方式見表1.

本試驗中，CFRP布包鑲加固底部殘損木柱的工藝流程照片及示意圖見圖2，說明如下：1） 制作底部殘損木柱，挖去木柱底部周圈厚30 mm、高500 mm部分，露出柱芯，以模擬柱底部糟朽等殘損現(xiàn)狀.上述尺寸的選擇依據(jù)為：500 mm高的糟朽深度與古建實際工程中木柱柱根糟朽深度相近，而30 mm糟朽深度符合包鑲加固工藝要求[1].2） 制作包鑲料，根據(jù)傳統(tǒng)工藝做法，包鑲料由數(shù)塊同材料木塊疊加而成，總尺寸同木柱被挖去部分，用少量乳膠將包鑲料與柱芯粘接，以恢復(fù)木柱外表形狀.3） 用500 mm長CFRP布包裹包鑲部分，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)鐵箍包鑲加固做法.

為了解試件受力過程中的變形情況，采用SZ120-100AA型號應(yīng)變片對稱粘貼在加固區(qū)中部，水平、豎向各布置1個，合計4個；另在木柱底部兩側(cè)各布置百分表（量程50 mm）1個，合計2個，以測定木柱豎向變形.將試件固定在2 000 kN萬能試驗機上進行加載，裝置示意圖如圖3所示.正式進行試驗前對試件進行預(yù)壓，以減少試驗產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差.試驗時，采用DH3815靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集.試驗采取連續(xù)加載方式，加載速度控制在0.04 mm/s左右，加載至試件破壞，然后卸載至極限荷載的80%左右時，試驗結(jié)束.

2 試驗現(xiàn)象

1） 完好試件：木柱上端原有寬1.5 mm、長約200 mm的縱向裂縫.剛加載時，木柱發(fā)出“嘭”的響聲，應(yīng)該是木柱底面與加載裝置擠緊時發(fā)出的聲音.荷載加載過程中，無明顯試驗現(xiàn)象.當(dāng)外力為極限荷載的20%左右時，木柱上部傳來間斷劈裂聲，隨后在加載過程中，百分表讀數(shù)加快，可反映柱豎向變形比開始要加速.當(dāng)加載繼續(xù)進行時，木柱中上部劈裂聲變得明顯，柱頭位置開始產(chǎn)生局部傾斜.當(dāng)荷載進一步增加時，劈裂聲越來越明顯并帶有劈啪聲，且集中在木柱上部.當(dāng)外力達到極限荷載的70%左右時，劈裂聲開始由上往下傳遞，但仍在木柱中上部位置，且次數(shù)比以前增多，聲音明顯、清脆，上部變形也明顯，但木柱承載力尚好.隨后，木柱上部劈裂聲越來越明顯，但木柱表面未見明顯裂縫.當(dāng)接近極限荷載時，木柱上部傳來巨大的“啪”聲，并冒出白煙，可認為木柱接近破壞，此時劈裂聲變頻繁，但尚能加載.當(dāng)外力達到極限荷載時，木柱上部的傾斜突然變大，柱頭產(chǎn)生彎折，并產(chǎn)生持續(xù)劈啪聲，荷載無法繼續(xù)增大，預(yù)示木柱產(chǎn)生破壞.由于木柱破壞前無明顯征兆，可認為是脆性破壞.經(jīng)觀察，木柱破壞主要出現(xiàn)在中上部，表現(xiàn)為開裂并折斷，其他位置完好，初始裂縫未產(chǎn)生擴展.木柱試驗前后照片見圖4，破壞位置見圖4中圓圈標(biāo)記.

2） 1層CFRP布包鑲加固：木柱上部原來有長為150 mm，寬2 mm的縱向細小裂縫.一開始加載，木柱周邊有輕微劈啪聲，應(yīng)該是木柱與加載裝置擠緊的聲音.當(dāng)外力為極限荷載的20%左右時，CFRP布加固位置傳來輕微劈裂聲，應(yīng)該是CFRP布參與受力時部分木柱受擠壓聲音，此時木柱整體較完好.當(dāng)外力為極限荷載的40%左右時，木柱上部傳來輕微爆裂聲和間斷劈啪聲，是木柱上部產(chǎn)生裂紋的聲音.隨著荷載增大，上部劈啪聲頻率增大，并傳來局部的木柱剝裂聲，但加固區(qū)尚完好.依此可初步判斷在木柱上部可能會產(chǎn)生受力破壞，而加固區(qū)由于剛度和強度較大，不會產(chǎn)生破壞.當(dāng)荷載進一步增大時，上部的劈啪聲變得越來越頻繁，表明木柱上部開始產(chǎn)生受力破壞.當(dāng)外力達到極限荷載時，木柱上部傳來“嘭”的一聲巨響，加載已無法繼續(xù)進行，說明木柱已產(chǎn)生受力破壞.經(jīng)仔細觀察，發(fā)現(xiàn)木柱破壞是由原有裂縫向下并向后擴展產(chǎn)生，并導(dǎo)致木柱上部局部彎折破壞.木柱試驗前后照片見圖5，為便于觀察，試驗后木柱的裂紋已用加粗的虛線加粗.木柱破壞過程為脆性破壞.

需要說明的是，木柱原有受損位置在底部.采取CFRP布加固后，當(dāng)木柱受到軸壓力作用時，其破壞位置并非發(fā)生在加固區(qū)，而是在木柱上部，這說明底部加固區(qū)得到了補強.

3） 2層CFRP布包鑲加固：一開始，木柱頂部傳來輕微劈裂聲，應(yīng)該是木柱與加載裝置擠緊聲音.荷載增大，木柱上部間斷傳來劈啪聲，應(yīng)該是該位置受力要比其他位置大.需要說明的是，木柱上部原有細小縱向、斜向裂縫，寬度約為1.5 mm，長度約為150 mm.當(dāng)外力為極限荷載的20%左右時，木柱上部的輕微劈啪聲不斷，應(yīng)該是原有裂縫受擠壓時發(fā)出的聲音.隨著荷載增大，上部劈裂聲不斷傳來，但木柱尚未破壞.初步分析認為：因為木柱上部原有裂縫，且上部受力較大，因而不斷傳來劈啪聲.當(dāng)外力達到極限荷載的50%左右時，木柱頂部偶爾傳來爆裂聲，反映該位置木柱裂紋的擴展.當(dāng)外力達到極限荷載時，木柱上部劈啪聲開始急劇增大，隨后“嘭”的一聲，上部產(chǎn)生局部向后折斷（圖6（b），已用加粗的虛線標(biāo)記），原有裂縫均已擴展.盡管木柱最終破壞位置并非原有裂縫的擴展直接產(chǎn)生，但與之有著非常密切的關(guān)系.這是因為木柱上部原有裂縫很小，外力作用下裂縫寬度增大，造成木柱頂部偏心受壓，且有效受壓面積減小，使得木柱上部產(chǎn)生新的破壞形式（局部彎折爆裂），并導(dǎo)致木柱最終破壞.另外，木柱底部加固區(qū)完好，無明顯破壞跡象.試驗前后照片如圖6所示.

4） 3層CFRP布包鑲加固：木柱右側(cè)有一較大初始裂紋，由頂部向下延伸500 mm，寬8 mm，屬干縮裂縫.開始加載階段，木柱無明顯試驗現(xiàn)象.當(dāng)外力為極限荷載的20%左右時，木柱上部傳來輕微劈裂聲，應(yīng)該是原有裂縫擴展.隨著荷載增大，劈裂聲持續(xù)進行，但尚不明顯；下部加固區(qū)無明顯試驗現(xiàn)象.當(dāng)外力達到極限荷載的60%左右時，劈裂聲由中上部傳來，聲音不明顯，可認為裂縫朝下擴展，劈啪聲持續(xù).加載過程中百分表轉(zhuǎn)速較慢，可反映構(gòu)件變形不明顯.荷載增長過程中，裂縫一直不太明顯，表現(xiàn)為輕微噼啪聲.當(dāng)外力為極限荷載的80%左右時，在木柱上部不僅有劈裂聲，還傳來剝落聲，應(yīng)該是該位置裂縫擴展聲音.隨后，該位置傳來一聲清脆的爆裂聲，可反映木柱在該位置有較明顯的破壞.隨著荷載繼續(xù)增大，木柱傳來的爆裂聲增大、次數(shù)增多.當(dāng)外力達到極限荷載時，爆裂聲不斷增大，荷載已無法繼續(xù)增加，木柱變形明顯增加.隨后荷載開始減小，木柱上部爆裂聲持續(xù)進行，木柱上部變形明顯，可以發(fā)現(xiàn)有明顯的水平折斷裂紋，加載停止.整個過程，木柱破壞非突發(fā)性，而是持續(xù)進行，一直發(fā)生在中上部.另外，原有縱向裂紋已擴展，但木柱最終破壞形式并非源于原有裂縫，而是產(chǎn)生局部彎折破壞.分析認為是木柱開始受到軸壓作用，裂縫擴展后，木柱偏壓作用比軸壓作用更明顯.加載過程中木柱上部產(chǎn)生側(cè)向彎曲，并導(dǎo)致上部產(chǎn)生彎折破壞.試驗照片見圖7，縱向裂縫為原有，橫向裂縫為破壞時產(chǎn)生.

從以上試驗現(xiàn)象可以看出，CFRP布對木柱底部進行整體包裹，并在底部形成剛性區(qū).在軸壓作用下，木柱底部承載力及剛度大于其他位置，因而不會產(chǎn)生破壞.但這對木柱整體受力性能有一定的影響，因為加固后的木柱整體剛度不均，在外力作用下，破壞位置往往發(fā)生在初始裂紋位置（幾乎任何木柱均存在初始干縮裂紋），并導(dǎo)致原有裂紋的擴展，木柱的承載力很難恢復(fù)到破壞前狀態(tài).理想的加固狀態(tài)是木柱的承載力能夠基本恢復(fù)甚至提高，木柱受力破壞并非初始裂紋擴展，而是木柱和加固材料作為一個整體在軸力作用下產(chǎn)生整體破壞.因而改善CFRP布的加固方式（如僅在開裂位置局部粘接CFRP布條，或?qū)φ麄€木柱進行包裹），有利于提高木柱的整體承載性能.

3 試驗分析

3.1 荷載位移曲線

基于試驗相關(guān)數(shù)據(jù)，獲得木柱加固前后荷載位移（F-u）曲線，見圖8.易知：1） 從曲線形狀看，各曲線均表現(xiàn)為木柱達到極限荷載前，其豎向位移u與荷載F成近似線性關(guān)系；木柱達到極限荷載后，隨著u值增大，F(xiàn)值有不同程度降低，但下降段曲率較為平緩，可反映木柱破壞后仍有較好的變形能力.2） 從峰值來看，完整木柱極限荷載值最大，不同層數(shù)CFRP布包裹加固殘損木柱后極限荷載值有不同程度減小；木柱加固前后的極限位移大小順序：完整木柱（11.38 mm）>3層CFRP布包鑲加固（8.93 mm）>2層CFRP布包鑲加固（均值8.43 mm）>1層CFRP布包鑲加固（均值7.9 mm）.

圖9為不同工況條件下模型的極限荷載對比圖.易知：1） 完好木柱（C0）極限承載力最大，為540.6 kN.CFRP布包鑲加固柱底后，木柱極限承載力有不同程度的恢復(fù).其中，包鑲1層CFRP布時（C1-1，C1-2）的平均極限承載力為440.2 kN，恢復(fù)到完好木柱極限承載力的81.4%；包鑲2層CFRP布時（C2-1，C2-2）的平均極限承載力為486.1 kN，恢復(fù)到完好木柱極限承載力的89.9%；包鑲3層CFRP布時（C3）的極限承載力為499.4 kN，恢復(fù)到完好木柱極限承載力的92.4%.2） 本試驗采用CFRP布包鑲加固底部糟朽木柱后，并不能使木柱的承載力完全恢復(fù)，加固后木柱的承載力為完好木柱承載力的84%～92%.3） 隨著CFRP布包鑲層數(shù)增多，加固柱的極限承載力逐漸提高，增長率約分別為10.4%（包鑲2層相對于包鑲1層）及2.8%（包鑲3層相對于包鑲2層）.

3.2 延性系數(shù)

構(gòu)件的延性是指在初始強度沒有明顯退化情況下的非彈性變形能力，其量化指標(biāo)一般為延性系數(shù)[10].木柱的延性系數(shù)可反映其在外力作用下，產(chǎn)生屈服后的繼續(xù)承載能力.木柱延性系數(shù)越大，則承載力越強.木柱的延性系數(shù)為：

3.3 應(yīng)變分析

基于試驗數(shù)據(jù)，繪制各模型的水平及豎向平均應(yīng)變（s）承載力（F）曲線，見圖11.易知：1） 無論是水平應(yīng)變曲線還是豎向應(yīng)變曲線，各模型的曲線比較接近，可反映CFRP布包鑲加固底部糟朽柱根后，加固柱的受力性能與完好柱相近，其承載力和延性性能均可近似得到恢復(fù).2） 與完好木柱相比，CFRP布包鑲加固木柱后，加固部位的水平平均峰值應(yīng)變恢復(fù)比例分別為67.4%（包鑲加固1層），82.2%（包鑲加固2層），119%（包鑲加固3層）；豎向平均峰值應(yīng)變恢復(fù)比例分別為60.5%（包鑲加固1層），77.6%（包鑲加固2層），113%（包鑲加固3層）.由此可知，隨著CFRP布包裹層數(shù)增加，木柱加固區(qū)峰值壓應(yīng)變增大.3） 木柱軸心受壓時，其荷載應(yīng)變曲線基本為直線形狀，且加固區(qū)豎向應(yīng)變普遍大于水平應(yīng)變.

3.4 加固機理分析

由以上試驗結(jié)果可以看出，CFRP布包鑲加固底部殘損木柱的軸壓受力機理表現(xiàn)為：1） CFRP布使得加固柱軸壓受力性能得以改善.盡管加固木柱底部由包鑲料和芯料組成，但CFRP布的抗拉強度遠大于木材強度，CFRP布包裹加固外皮后，可提供較大的側(cè)向約束力，使得包鑲料與柱芯緊密連接，且抑制了豎向荷載作用下加固區(qū)側(cè)向變形及裂縫擴展.當(dāng)CFRP布層數(shù)增多時，其提供的側(cè)向約束力增強.軸壓作用下，CFRP布與木柱共同作用，可增大殘損木柱軸壓承載力.2） CFRP布并不能使底部殘損木柱的承載性能完全恢復(fù).由于CFRP僅僅包鑲加固木柱底部，因而在木柱底部形成剛性區(qū).相對而言，木柱上部的剛度相對較小，在豎向荷載作用下易首先產(chǎn)生變形及開裂破壞，因而每個加固件的破壞始終發(fā)生在木柱上端.盡管這種破壞形式與完整木柱破壞形式相近，但由于加固木柱整體性能相對完好木柱略差，在軸壓作用下，加固柱未能整體發(fā)揮承載作用，卻因上部位置提前破壞而導(dǎo)致整體破壞，因而承載能力略低于完整木柱.類似地，由于加固柱上下部位剛度差別較大，因而構(gòu)件延性要略低于完整木柱.

4 結(jié) 論

1）CFRP布包鑲加固底部殘損木柱前后的破壞形式均表現(xiàn)為木柱上部局部彎折破壞，且木柱底部加固區(qū)在整個加載過程中完好，體現(xiàn)了CFRP布包鑲加固的有效性.

2）CFRP布加固木柱后，木柱極限承載力可恢復(fù)到完好木柱的81.4%～92.4%左右，延性性能可恢復(fù)到完整木柱的87.3%～95.8%，水平峰值壓應(yīng)變可恢復(fù)到完好木柱的67.4%～119%，豎向峰值應(yīng)變可恢復(fù)到完好木柱的60.5%～113%，且CFRP布包裹3層時的加固效果更好.

3） 由于CFRP布僅包裹木柱底部，在底部形成較大的剛性區(qū)，使得加固木柱整體性略低于完好木柱，因而其承載性能略低于完好木柱.

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