梁柱式木結(jié)構(gòu)加固方法及抗側(cè)力性能試驗(yàn)研究

熊海貝， 劉應(yīng)揚(yáng)， 姚　亞， 李冰陽(yáng)

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

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梁柱式木結(jié)構(gòu)加固方法及抗側(cè)力性能試驗(yàn)研究

熊海貝， 劉應(yīng)揚(yáng)， 姚亞， 李冰陽(yáng)

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

摘要：為研究梁柱式膠合木結(jié)構(gòu)在加固后的抗側(cè)力性能，對(duì)9榀單層單跨梁柱式木框架足尺試件進(jìn)行了低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，其中3榀為未損壞對(duì)照組試件，6榀為加固組試件.考慮了節(jié)點(diǎn)區(qū)域包裹碳纖維布(FRP)和植入自攻螺釘2種加固方法，及純框架和隅撐框架2種結(jié)構(gòu)體系形式.根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，探討了木結(jié)構(gòu)加固方法的可行性，對(duì)比了不同方法的效果和差異，研究了各組試件在反復(fù)荷載作用下的破壞模式、剛度、變形和耗能等力學(xué)性能.結(jié)果表明，2種加固方法均可以有效地抑制裂縫開(kāi)展，并能夠恢復(fù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、耗能等力學(xué)性能；受損的梁柱式木結(jié)構(gòu)框架，采用節(jié)點(diǎn)區(qū)域加固并增設(shè)隅撐，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能可以得到顯著的提高.

關(guān)鍵詞：膠合木； 梁柱式木結(jié)構(gòu)； 加固； 碳纖維布； 自攻螺釘； 低周反復(fù)加載

現(xiàn)代梁柱式木結(jié)構(gòu)，多使用木材利用率高、性能更穩(wěn)定的膠合木；在節(jié)點(diǎn)連接方面，也逐漸以金屬連接件取代木榫卯連接的形式.木結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)具有一定的半剛性能力[1-2]，在地震作用、風(fēng)荷載等側(cè)向荷載作用下，節(jié)點(diǎn)將承受一定的彎矩，易導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)區(qū)域木材劈裂.木材的材料特性與鋼材、混凝土等材料差異較大，木結(jié)構(gòu)的加固方法需要進(jìn)行相應(yīng)的研究.

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)木結(jié)構(gòu)加固，在應(yīng)用纖維布(fiber reinforced polymer,FRP)的方面研究較多；采用自攻螺釘(self tapping screw)限制木材開(kāi)裂的應(yīng)用和研究則多集中在歐美等國(guó)家.楊會(huì)峰等[3]對(duì)FRP加固膠合木梁受彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了6根普通木梁和21根FRP加固木梁的極限荷載與抗彎剛度等結(jié)構(gòu)性能，并探討了構(gòu)件的破壞形態(tài)與破壞機(jī)理.結(jié)果表明，F(xiàn)RP可避免或延緩木梁的受拉脆性破壞，降低木材缺陷對(duì)其受彎性能的影響，充分利用木材的抗壓強(qiáng)度并顯著提高構(gòu)件的剛度和延性性能.邵勁松等[4]對(duì)FRP約束木柱軸心抗壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)合15根FRP加固木柱詳細(xì)探討受載后試件的工作機(jī)理和破壞模式.結(jié)果表明，F(xiàn)RP橫向加固木柱可提高木柱的抗壓承載力，改善木柱的延性.姬卓[5]研究了FRP布不同粘貼方式和層數(shù)對(duì)木梁的加固效果.Li等[6]對(duì)不同包裹方式下FRP加固木柱的軸心受壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)比了環(huán)形包裹、單螺旋包裹、雙螺旋包裹以及交叉螺旋包裹等包裹方式的影響.Echavarría等[7]采用CFRP(碳纖維布)、GFRP(玻璃纖維布)、金屬板、竹纖維等加固膠合木梁，比較了不同材料加固木梁對(duì)于強(qiáng)度和剛度的提高程度.Echavarría等[8]對(duì)螺栓-鋼插板節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了自攻螺釘加固，試驗(yàn)及數(shù)值分析結(jié)果表明，加固后的節(jié)點(diǎn)不易出現(xiàn)脆性劈裂破壞，且在承載能力上有一定的提高，橫紋方向進(jìn)行加固的節(jié)點(diǎn)連接可以適當(dāng)減弱順紋方向的螺栓邊距要求.Lam等[9]對(duì)30個(gè)螺栓-鋼插板連接膠合木節(jié)點(diǎn)的抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試件分為未加固常規(guī)試件、自攻螺釘加固常規(guī)試件和自攻螺釘修復(fù)損壞試件.試驗(yàn)結(jié)果表明，采用自攻螺釘加固和修復(fù)的試件，其抗彎承載力分別是未加固常規(guī)試件的1.70倍和1.53倍.Kasal等[10]對(duì)膠合木梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域交叉植入自攻螺釘，同時(shí)在梁端部設(shè)置硬木擋塊，隨后對(duì)該類(lèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了低周反復(fù)試驗(yàn)，對(duì)采用該類(lèi)節(jié)點(diǎn)的梁柱框架實(shí)施了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn).結(jié)果表明，采用自攻螺釘結(jié)合擋塊設(shè)計(jì)的梁柱節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度較大，基本可以滿(mǎn)足剛性節(jié)點(diǎn)的要求.Yeh等[11]研究了自攻螺釘對(duì)膠合木節(jié)點(diǎn)性能的影響，考慮了不同的自攻螺釘長(zhǎng)度、直徑以及螺紋類(lèi)型等參數(shù)，并指出植入自攻螺釘可以提高節(jié)點(diǎn)的初始剛度.膠合木在使用中會(huì)因含水率變化產(chǎn)生橫紋方向上的應(yīng)力，從而影響構(gòu)件的承載力.Angst等[12]針對(duì)該問(wèn)題，研究了構(gòu)件中植入自攻螺釘?shù)挠绊懀赋鲎怨ヂ葆斂梢蕴峁┯行У募訌?qiáng)作用，同時(shí)該加強(qiáng)作用在濕度增加的情況下好于濕度降低的情況.

綜合國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，針對(duì)梁柱式木結(jié)構(gòu)加固的研究工作，多集中在節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件層面，而在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和研究較少.結(jié)構(gòu)相對(duì)于節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件，受到的干擾因素更多，力學(xué)性能的變異性更大，在推廣工程應(yīng)用之前，進(jìn)行結(jié)構(gòu)層面的試驗(yàn)研究是不可或缺的，為此，本文針對(duì)加固的梁柱式膠合木框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗側(cè)力性能試驗(yàn)，考慮節(jié)點(diǎn)區(qū)域包裹FRP和植入自攻螺釘2種加固方法，探討本文木結(jié)構(gòu)加固方法的可行性，對(duì)比不同方法的效果和差異，研究各組試件在反復(fù)荷載作用下破壞模式、剛度、變形和耗能等力學(xué)性能.

1試驗(yàn)概況

1.1試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)9榀梁柱式木結(jié)構(gòu)框架試件，分為未損壞對(duì)照組試件和加固組試件.對(duì)照組試件采用全新的工廠預(yù)制構(gòu)件，僅在現(xiàn)場(chǎng)拼裝，包括2榀純框架試件和1榀隅撐框架試件；加固組試件中梁、柱構(gòu)件采用試驗(yàn)[13]中受損的梁、柱構(gòu)件(柱底、梁端有不同程度的裂縫)，支撐構(gòu)件為全新工廠預(yù)制，梁、柱現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)槽與支撐構(gòu)件拼裝，包括1榀FRP加固純框架試件、1榀自攻螺釘加固純框架試件、2榀FRP加固隅撐框架試件和2榀自攻螺釘加固隅撐框架試件.9榀框架均為足尺試件，跨度均為4 110 mm，高度均為2 740 mm，跨高比3∶2，如表1所示.

表1　試件類(lèi)型

梁、柱、支撐構(gòu)件均采用層板膠合木，木材均為加拿大進(jìn)口的云杉-松-冷杉規(guī)格材，材質(zhì)等級(jí)為II級(jí)，由蘇州皇家整體住宅系統(tǒng)股份有限公司進(jìn)行膠合，膠合后的強(qiáng)度等級(jí)為T(mén)C11A.試件材料及截面尺寸見(jiàn)表2.梁柱節(jié)點(diǎn)、柱腳節(jié)點(diǎn)均采用螺栓-鋼插板做法，梁柱接觸處、柱與基礎(chǔ)接觸處不設(shè)置預(yù)留縫.在試驗(yàn)期間，試件的含水率在12%～14%之間.

本文試件設(shè)計(jì)的目的是：①探討梁柱式木結(jié)構(gòu)加固處理的方法及流程；②研究對(duì)照組、加固組框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能，對(duì)比剛度、變形及耗能等力學(xué)參數(shù)指標(biāo)；③研究受損的梁柱式木結(jié)構(gòu)框架，采用節(jié)點(diǎn)區(qū)域加固并增設(shè)隅撐方案的可行性和工程實(shí)用性；④對(duì)比節(jié)點(diǎn)區(qū)域包裹FRP加固方法和植入自攻螺釘加固方法的效果和差異.

1.2試件加固方法及流程

受損節(jié)點(diǎn)加固流程為：①對(duì)梁、柱進(jìn)行支護(hù)，更換變形嚴(yán)重的螺栓，同時(shí)清除梁柱節(jié)點(diǎn)及柱底節(jié)點(diǎn)表面的灰塵、木屑等污物.②采用結(jié)構(gòu)膠(本文采用PM516/500雙組份液體聚氨酯黏合劑)灌注裂縫，夾具夾持閉合裂縫，養(yǎng)護(hù)直到膠固化.需要特別說(shuō)明的是本試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)膠的作用主要是閉合裂縫，恢復(fù)梁、柱構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的劈裂變形.③對(duì)節(jié)點(diǎn)區(qū)域包裹FRP或植入自攻螺釘，用以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能.

1.2.1FRP加固

按圖1在木構(gòu)件表面標(biāo)出粘貼碳纖維布的區(qū)域，加固區(qū)域表面打磨光滑，轉(zhuǎn)角做倒角處理.將碳纖維布裁成相應(yīng)尺寸，避開(kāi)螺栓孔，在節(jié)點(diǎn)處刷膠黏劑，在梁柱節(jié)點(diǎn)及柱底節(jié)點(diǎn)外包碳纖維布.養(yǎng)護(hù)直到膠起強(qiáng)度.根據(jù)計(jì)算和參考相關(guān)文獻(xiàn)[6，14]，本文選擇3層包裹，碳纖維布選用上海怡昌碳纖維材料有限公司生產(chǎn)的同固牌碳纖維布，黏結(jié)劑為纖維布配套環(huán)氧樹(shù)脂膠，碳纖維布的材性如表3所示.

a梁柱詳圖b柱底詳圖

圖1　FRP加固節(jié)點(diǎn)詳圖(單位：mm)

1.2.2自攻螺釘加固

按圖2在木構(gòu)件表面標(biāo)出打入自攻螺釘?shù)奈恢?考慮打入自攻螺釘后木材截面的消弱，為避免木柱或木梁在端部被自攻螺釘沖剪破壞等問(wèn)題，自攻螺釘打入位置從第1，2排螺栓之間開(kāi)始.用鉆機(jī)在相應(yīng)位置打入自攻螺釘，操作時(shí)保證自攻螺釘垂直打入.試驗(yàn)采用德國(guó)伍爾特公司生產(chǎn)的型號(hào)為ASSY Plus VG自攻螺釘，自攻螺釘長(zhǎng)280 mm，直徑8 mm，屈服彎矩20 N·m，抗拉承載力20 kN.

a梁柱立面圖b梁柱俯視圖

c柱底立面圖d柱底側(cè)視圖

圖2自攻螺釘加固節(jié)點(diǎn)詳圖(單位：mm)

Fig.2Joint reinforced with self tapping

screws (unit: mm)

1.3試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用申克加載系統(tǒng)進(jìn)行單調(diào)和低周反復(fù)加載，如圖3所示.申克機(jī)設(shè)計(jì)推力為±630 kN，位移量程為±250 mm；申克機(jī)固定在反力墻上，與左側(cè)柱頂鋼板通過(guò)球鉸連接.申克機(jī)施加推力時(shí)，通過(guò)左側(cè)鋼板直接傳力到試件；施加拉力時(shí)，先通過(guò)鋼拉桿傳力至右側(cè)鋼板，再由右側(cè)鋼板傳力到試件，從而避免試件節(jié)點(diǎn)的局部拉壞.安裝在龍門(mén)架上的鋼滾軸用于限制試件平面外的變形.柱底鋼板與地梁采用8個(gè)M22螺栓連接，地梁與實(shí)驗(yàn)室水泥臺(tái)座牢固固定.

圖3　試驗(yàn)加載裝置示意

1.4加載制度

低周反復(fù)試驗(yàn)采用位移加載，加載制度參考美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM E2126-11標(biāo)準(zhǔn)[15]中的方法B(ISO16670標(biāo)準(zhǔn)).先采用極限位移值Δm的1.25%，2.50%，5.00%，7.50%和10.00%依次進(jìn)行1個(gè)循環(huán)加載，再采用極限位移值Δm的20%，40%，60%，80%，100%和120%依次進(jìn)行3個(gè)循環(huán)加載至結(jié)構(gòu)破壞.低周反復(fù)加載的Δm根據(jù)單調(diào)加載試驗(yàn)[13]確定.純框架結(jié)構(gòu)體系極限位移Δm,F=250 mm，隅撐結(jié)構(gòu)體系極限位移Δm,HB=40 mm.試驗(yàn)中規(guī)定推力為正，拉力為負(fù).試驗(yàn)終止條件為：①力控制，承載力下降至極限荷載的80%(參考ASTM E2126-11標(biāo)準(zhǔn))；②位移控制，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移達(dá)到250 mm(層間位移角約為1/11，結(jié)構(gòu)已不宜繼續(xù)承載).

2試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞模式

2.1對(duì)照組純框架結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)中隨著側(cè)向位移的增加，梁柱節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)為局部頂緊；局部頂緊使梁柱之間、柱與柱底鋼板之間形成了一定的縫隙.在側(cè)向位移加載至50 mm時(shí)(1/55位移角)，柱底節(jié)點(diǎn)首先出現(xiàn)了裂縫；梁端木材在側(cè)向位移約為100 mm(1/27位移角)時(shí)，也發(fā)生了劈裂.在后續(xù)的試驗(yàn)中，柱底和梁端的木材裂縫繼續(xù)開(kāi)展(圖4)，但結(jié)構(gòu)的承載力并沒(méi)有顯著地下降，試驗(yàn)在達(dá)到位移失效限值250 mm(1/11位移角)時(shí)終止.

當(dāng)結(jié)構(gòu)受到側(cè)向荷載時(shí)，半剛性的節(jié)點(diǎn)承受一定的彎矩，從而使節(jié)點(diǎn)處木材出現(xiàn)橫紋拉應(yīng)力和順紋剪應(yīng)力，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)處過(guò)早開(kāi)裂破壞，因此，對(duì)照組純框架結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出“弱節(jié)點(diǎn)、強(qiáng)構(gòu)件”的破壞模式.

a梁柱節(jié)點(diǎn)破壞情況b柱底節(jié)點(diǎn)破壞情況

圖4對(duì)照組純框架結(jié)構(gòu)破壞模式

Fig.4Failure mode of regular simple frame

2.2加固組純框架結(jié)構(gòu)

FRP加固純框架結(jié)構(gòu).在試驗(yàn)初期，當(dāng)側(cè)向位移達(dá)到12 mm(1/228位移角)左右時(shí)，柱表面一些膠黏劑碎裂，柱腳發(fā)出輕微的響聲.側(cè)向位移達(dá)到100 mm(1/27位移角)時(shí)，柱底未包裹FRP區(qū)域的木材劈裂，但裂縫僅發(fā)展至第1道FRP處即終止，并未繼續(xù)向上開(kāi)展，柱底節(jié)點(diǎn)基本完好；位移達(dá)到約150 mm(1/18位移角)時(shí)，梁端未包裹FRP區(qū)域的木材劈裂，但同樣受到FRP約束，未繼續(xù)開(kāi)展；結(jié)構(gòu)的承載力持續(xù)上升，在加載至250 mm(1/11位移角)時(shí)，試驗(yàn)終止，此時(shí)結(jié)構(gòu)構(gòu)件和梁柱節(jié)點(diǎn)均無(wú)明顯破壞現(xiàn)象出現(xiàn)(圖5).

a梁柱節(jié)點(diǎn)破壞情況b柱底節(jié)點(diǎn)破壞情況

圖5FRP加固純框架結(jié)構(gòu)破壞模式

Fig.5Failure mode of simple frame

reinforced with FRP

自攻螺釘加固純框架結(jié)構(gòu).隨著試驗(yàn)加載，在側(cè)向位移達(dá)到50 mm(1/55位移角)時(shí)，柱底開(kāi)始出現(xiàn)裂縫；當(dāng)位移達(dá)到100 mm(1/27位移角)時(shí)，裂縫開(kāi)展至第1道自攻螺釘和第2道自攻螺釘之間，但在后續(xù)的加載中，裂縫并未繼續(xù)發(fā)展；當(dāng)側(cè)向位移達(dá)到150 mm(1/18位移角)時(shí)，梁端出現(xiàn)裂縫，該裂縫開(kāi)展至第一道自攻螺釘處終止；后續(xù)加載至250 mm(1/11位移角)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的承載力繼續(xù)上升，有新裂縫出現(xiàn)，但均被限制在第2道自攻螺釘以?xún)?nèi)(圖6).

a梁柱節(jié)點(diǎn)破壞情況b柱底節(jié)點(diǎn)破壞情況

圖6自攻螺釘加固純框架結(jié)構(gòu)破壞模式

Fig.6Failure mode of simple frame reinforced

with self tapping screws

綜上，2種加固方法均對(duì)節(jié)點(diǎn)處的裂縫開(kāi)展起到良好的限制作用，梁柱式木結(jié)構(gòu)框架的“弱節(jié)點(diǎn)”失效模式得到了一定的改善，結(jié)構(gòu)的承載能力也有增強(qiáng).FRP和自攻螺釘加固的試件，木材開(kāi)裂均被控制在第2道加固以?xún)?nèi)，因此在工程應(yīng)用中，宜采用2道或3道加固.

2.3對(duì)照組隅撐框架結(jié)構(gòu)

在加載的初期，側(cè)向位移小于16 mm(1/171位移角)時(shí)，無(wú)明顯的破壞現(xiàn)象，但梁柱、柱腳、支撐連接節(jié)點(diǎn)處木材與螺栓頂緊，發(fā)出明顯的咯咯聲.隨著側(cè)向位移的增加，支撐連接鋼板處有輕微錯(cuò)動(dòng)，隨后柱腳、梁端依次產(chǎn)生裂縫.在加載位移為150 mm(1/18位移角)時(shí)，右側(cè)受壓支撐與梁連接處的鋼板發(fā)生平面外屈曲，支撐劈裂，在該級(jí)荷載受拉過(guò)程中，右側(cè)支撐上端節(jié)點(diǎn)處的螺栓被逐個(gè)剪斷，右側(cè)支撐完全退出工作(圖7).隨后的加載過(guò)程中，左側(cè)支撐除連接鋼板處發(fā)生了輕微屈曲外，基本完好，而左柱腳、梁左端裂縫開(kāi)展明顯，結(jié)構(gòu)承載力逐漸下降，直至加載結(jié)束.

a支撐鋼板屈曲b支撐劈裂

圖7對(duì)照組隅撐框架結(jié)構(gòu)破壞模式

Fig.7Failure mode of regular frame with knee-brace

2.4加固組隅撐框架結(jié)構(gòu)

在柱底、梁端木材劈裂控制方面，加固效果與加固組純框架一致，梁柱節(jié)點(diǎn)得到了較好的保護(hù).加固組隅撐框架結(jié)構(gòu)的破壞均是由支撐構(gòu)件失效導(dǎo)致的，表現(xiàn)為支撐節(jié)點(diǎn)的破壞，即支撐連接鋼板屈曲、支撐劈裂和支撐螺栓剪斷，因此2種加固效果基本一致，僅在失效位移和極限承載力方面略有差異.

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1滯回曲線(xiàn)和主要力學(xué)性能參數(shù)

框架在反復(fù)荷載作用下的滯回曲線(xiàn)可以反映結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，各試件的滯回曲線(xiàn)及骨架曲線(xiàn)如圖8所示.通過(guò)平均骨架曲線(xiàn)(正骨架曲線(xiàn)與負(fù)骨架曲線(xiàn)的絕對(duì)值取平均值)確定各結(jié)構(gòu)的峰值荷載Ppeak及相應(yīng)峰值位移Δpeak、結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的極限位移Δu及相應(yīng)的極限荷載Pu.通過(guò)基于能量等效的理想彈塑性(EEEP)方法[15]，定義結(jié)構(gòu)的屈服荷載Pyield、屈服位移Δyield.各試件主要力學(xué)性能參數(shù)如表4所示，定義結(jié)構(gòu)的彈性階段剛度Ke=Pyield/Δyield.

圖8滯回曲線(xiàn)及骨架曲線(xiàn)

Fig.8Hysteresis and envelope

表4中對(duì)照組純框架結(jié)構(gòu)、加固組隅撐框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能參數(shù)分別取2個(gè)試件的平均值進(jìn)行評(píng)價(jià)，從圖8、表4中可以看出：

(1)各試件的滯回曲線(xiàn)都表現(xiàn)出捏攏現(xiàn)象，這是螺栓連接梁柱式木結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，是因?yàn)樵诜磸?fù)荷載作用下，螺栓與木材相互擠壓使木材出現(xiàn)順紋、橫紋方向的永久變形，導(dǎo)致連接節(jié)點(diǎn)在受力時(shí)發(fā)生滑移.

(2)加固組純框架結(jié)構(gòu)承載力.對(duì)照組純框架結(jié)構(gòu)的承載力為55.0 kN；FRP加固純框架結(jié)構(gòu)承載力為60.3 kN，自攻螺釘加固純框架承載力為69.0 kN，分別為對(duì)照組純框架結(jié)構(gòu)承載力的110%和125%，說(shuō)明兩種加固方法均可以保證結(jié)構(gòu)承載能力的恢復(fù)；需要特別指出的是，加固組純框架在達(dá)到位移失效限值250 mm時(shí)，均未表現(xiàn)出明顯的屈服，結(jié)構(gòu)承載力仍有一定的提升空間.

(3)加固組純框架結(jié)構(gòu)彈性階段剛度.對(duì)照組純框架結(jié)構(gòu)的彈性階段剛度為0.35 kN·mm-1；FRP加固純框架結(jié)構(gòu)彈性階段剛度為0.25 kN·mm-1，為對(duì)照組純框架結(jié)構(gòu)的71%，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)區(qū)域包裹FRP難以形成預(yù)緊作用，只能被動(dòng)限制木材開(kāi)裂，并不能修復(fù)結(jié)構(gòu)的初始損傷而提高彈性階段剛度；自攻螺釘則是通長(zhǎng)植入節(jié)點(diǎn)區(qū)域，螺紋對(duì)木材有預(yù)拉緊作用，使框架結(jié)構(gòu)的彈性階段剛度恢復(fù)，并有一定的提升，為0.40 kN·mm-1.

(4)對(duì)照組隅撐框架結(jié)構(gòu)的承載力是對(duì)照組純框架結(jié)構(gòu)的2.4倍，彈性階段剛度是對(duì)照組純框架結(jié)構(gòu)的2.5倍，因此，鑒于木結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)難以保證剛接的情況，在木結(jié)構(gòu)框架中設(shè)置隅撐構(gòu)件，既能兼顧建筑使用空間，又可以達(dá)到改善結(jié)構(gòu)抗側(cè)力性能的目的.

(5)加固組隅撐框架結(jié)構(gòu)承載力.FRP加固隅撐框架結(jié)構(gòu)承載力為122.9 kN，自攻螺釘加固隅撐框架承載力為116.9 kN，與對(duì)照組純框架結(jié)構(gòu)相比，分別為其的2.2倍和2.1倍，加固效果良好；與對(duì)照組隅撐框架結(jié)構(gòu)相比，承載力略低，為它的94%和89%.

(6)加固組隅撐框架結(jié)構(gòu)彈性階段剛度.FRP加固隅撐框架結(jié)構(gòu)彈性階段剛度為0.75 kN·mm-1，自攻螺釘加固隅撐框架結(jié)構(gòu)為0.71 kN·mm-1，兩者分別為對(duì)照組純框架結(jié)構(gòu)的2.1倍和2.0倍，對(duì)受損結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的補(bǔ)強(qiáng)有明顯的效果；與對(duì)照組隅撐框架結(jié)構(gòu)相比，彈性階段剛度為它的85%和80%.

(7)綜上分析，F(xiàn)RP加固方法和自攻螺釘加固方法均可以有效地恢復(fù)受損梁柱式木結(jié)構(gòu)的抗側(cè)承載力，基于本文的加固尺寸規(guī)格，兩種方法恢復(fù)能力相近；FRP屬于外露包裹保護(hù)，自攻螺釘則具有內(nèi)置拉緊作用，在工程應(yīng)用中可以根據(jù)建筑構(gòu)造和防火要求等條件分類(lèi)采用；在修復(fù)受損的梁柱式木結(jié)構(gòu)框架時(shí)，采用節(jié)點(diǎn)區(qū)域加固并增設(shè)隅撐，可以顯著地補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性能.

表4　試件主要力學(xué)性能參數(shù)

3.2剛度退化

為反映結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下結(jié)構(gòu)的剛度，以割線(xiàn)剛度來(lái)表示結(jié)構(gòu)的有效剛度[16].第i次有效剛度定義如下：

(1)

各試件在反復(fù)荷載下的有效剛度曲線(xiàn)如圖9所示，從圖9中可以看出：

(1)純框架結(jié)構(gòu)剛度退化.FRP加固純框架的初始剛度最高，這是因?yàn)楣?jié)點(diǎn)區(qū)域包裹碳纖維布時(shí)，涂刷的膠黏劑有部分滲入了螺栓和鋼板的縫隙，對(duì)節(jié)點(diǎn)的剛度起到了一定的增強(qiáng)作用，隨著側(cè)向位移的增加，硬化的膠黏劑不斷碎裂，F(xiàn)RP加固純框架的有效剛度速度下降；在試驗(yàn)中期，自攻螺釘加固純框架的有效剛度始終高于對(duì)照組純框架，同時(shí)FRP加固框架的有效剛度則低于對(duì)照組純框架，這也印證了前文的分析，即通長(zhǎng)植入自攻螺釘具有主動(dòng)拉緊作用，而包裹FRP則屬于被動(dòng)限制開(kāi)裂，純框架的有效剛度主要由節(jié)點(diǎn)剛度決定，因此這種加固差異也反映在有效剛度曲線(xiàn)上.

(2)隅撐框架結(jié)構(gòu)剛度退化.隅撐框架的剛度主要由支撐構(gòu)件決定，加固組試件的支撐是現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)孔開(kāi)槽安裝，在精度上遜于工廠預(yù)制的對(duì)照組試件，這也反映在加固組試件的初始剛度變異性較大；隨著試驗(yàn)加載的進(jìn)行，加固組支撐的孔槽經(jīng)過(guò)擠壓，受力逐漸均勻，有效剛度趨于一致，在試驗(yàn)中期均低于對(duì)照組試件；試驗(yàn)后期，支撐構(gòu)件破壞，各組試件的剛度迅速下降，結(jié)構(gòu)的剛度轉(zhuǎn)為主要由節(jié)點(diǎn)剛度決定，與純框架結(jié)構(gòu)有效剛度曲線(xiàn)一致.

a 純框架結(jié)構(gòu)有效剛度

b 隅撐框架結(jié)構(gòu)有效剛度

3.3耗能能力

耗能作為衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)，可以用滯回曲線(xiàn)所包圍面積的總和來(lái)衡量，其綜合反映了結(jié)構(gòu)剛度、延性等因素.

每個(gè)加載循環(huán)的耗能情況如圖10所示，從圖中可以看出：

(1)梁柱式木結(jié)構(gòu)框架的耗能主要來(lái)源于構(gòu)件之間的摩擦、螺栓的屈服、木材的塑性變形和劈裂；在大位移時(shí)結(jié)構(gòu)的耗能顯著增加，這是由于梁、柱構(gòu)件發(fā)生了劈裂，釋放了大量的彈性應(yīng)變能，而在同一位移幅值的第2次、第3次循環(huán)時(shí)，因?yàn)闆](méi)有新的裂縫產(chǎn)生，所以耗能下降明顯.

(2)純框架結(jié)構(gòu)的耗能.加固組節(jié)點(diǎn)區(qū)域的木材得到增強(qiáng)，在與螺栓相互作用時(shí)，螺栓的屈服程度增加，因此加固組的結(jié)構(gòu)耗能始終好于對(duì)照組試件；在加載的后期，對(duì)照組試件的耗能能力已出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，而加固組試件限制了木材的開(kāi)裂，螺栓在大位移下可以持續(xù)提供屈服耗能.

(3)隅撐框架結(jié)構(gòu)的耗能.試驗(yàn)前、中期，結(jié)構(gòu)的耗能主要由支撐構(gòu)件中的螺栓屈服提供，因此各組試件的耗能能力基本一致；試驗(yàn)中后期，支撐劈裂退出工作，反映在各組試件在該階段的能量耗散的劇烈波動(dòng)；在試驗(yàn)后期，結(jié)構(gòu)的耗能形式與純框架結(jié)構(gòu)類(lèi)似，對(duì)照組試件的耗能弱于加固組試件.

a 純框架結(jié)構(gòu)各加載循環(huán)耗能

4結(jié)論

基于對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)本文兩種加固方法均對(duì)節(jié)點(diǎn)處的裂縫開(kāi)展起到良好的限制作用，梁柱式木結(jié)構(gòu)框架的“弱節(jié)點(diǎn)”失效模式得到了有效的改善；FRP和自攻螺釘加固的試件，木材開(kāi)裂均被控制在第2道加固以?xún)?nèi)，在工程應(yīng)用中，宜采用2道或3道加固.

(2)加固組純框架試件的承載力與對(duì)照組純框架相當(dāng)；由于受損梁、柱初始損傷的存在，F(xiàn)RP加固純框架的彈性剛度低于對(duì)照組純框架結(jié)構(gòu)，自攻螺釘有一定的預(yù)拉緊作用，結(jié)構(gòu)的彈性剛度有所提高；FRP屬于外露包裹保護(hù)，自攻螺釘具有內(nèi)置拉緊作用，在工程應(yīng)用中可以根據(jù)建筑構(gòu)造和防火要求等條件分類(lèi)采用.

(3)加固組隅撐框架試件相對(duì)于對(duì)照組隅撐框架，承載力和剛度得到了恢復(fù)；相對(duì)于對(duì)照組純框架試件，承載力和剛度有顯著的提升；在工程中，針對(duì)受損的梁柱式純框架結(jié)構(gòu)，在節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行FRP或自攻螺釘加固并增設(shè)隅撐，可以得到良好的效果.

(4)加固組試件相比于對(duì)照組試件，耗能能力均得到了恢復(fù)；其中純框架試件，由于節(jié)點(diǎn)區(qū)域木材得到了加強(qiáng)，從而使螺栓在大位移下可以持續(xù)提供屈服耗能，結(jié)構(gòu)的耗能能力有所提升.

參考文獻(xiàn):

[1]隋允康，常婧雅，葉紅玲. 木結(jié)構(gòu)半剛性節(jié)點(diǎn)的數(shù)值模擬[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，37(9): 1298.

SUI Yunkang, CHANG Jingya, YE Hongling. Numerical simulation of semi-rigid nodes in timber structure based on finite element method [J]. Journal of Beijing University of Technology, 2011, 37(9): 1298.

[2]王明謙，宋曉濱，顧祥林，等. 膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)性能研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2014，35(9): 141.

WANG Mingqian, SONG Xiaobin, GU Xianglin,etal. Study on rotational behavior of bolted glulam beam-to-column connections with slotted-in steel plates [J]. Journal of Building Structures, 2014, 35(9): 141.

[3]楊會(huì)峰，劉偉慶. FRP增強(qiáng)膠合木梁的受彎性能研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2007，28(1): 64.

YANG Huifeng, LIU weiqing. Study on flexural behavior of FRP reinforced glulam beams [J]. Journal of Building Structures, 2007, 28(1): 64.

[4]邵勁松，薛偉辰，劉偉慶，等. FRP橫向加固木柱軸心受壓性能計(jì)算[J]. 土木工程學(xué)報(bào)，2012，45(8): 48.

SHAO Jinsong, XUE Weichen, LIU weiqing,etal. Calculation of axial compressive behavior of timber column laterally strengthened with FRP [J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(8): 48.

[5]姬卓. CFRP材料加固木梁性能研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2009.

JI Zhuo. Research on reinforcement of timber structures with CFRP materials [D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2009.

[6]Li L, Yuan S, Dong J,etal. An experimental study on the axial compressive behavior of timber columns strengthened by FRP sheets with different wrapping methods [C] // Applied Mechanics and Materials. 3rd International Conference on Civil Engineering, Architecture and Building Materials. Jinan: Trans Tech Publications, 2013: 1419-1422.

[7]Echavarría C, Echavarría B, Caola H. Bamboo reinforced glulam beams:an alternative to punched metal plate, GFRP and CFRP reinforced glulam beams [C] // Proceedings of the 13th World Conference on Timber Engineering (WCTE). Quebec City: WCTE, 2014: 1-6.

[8]Echavarría C. Bolted timber joints with self-tapping screws [J]. Revista EIA, 2007(8): 37.

[9]Lam F, Gehloff M, Closen M. Moment-resisting bolted timber connections [J]. Structures and Buildings, 2010, 163(4): 267.

[10]Kasal B, Guindos P, Polocoser T,etal. Heavy laminated timber frame with rigid threedimensional beam-to-column connections [J]. Journal of Performance of Constructed Facilities，2014, 28(S): A4014014.

[11]Yeh M, Lin Y, Huang G. Investigation of the structural performance of glulam beam connections using self-tapping screws [J]. Journal of Wood Science, 2014, 60(1): 39.

[12]Angst V, Malo K. Effect of self-tapping screws on moisture induced stresses in glulam [J]. Engineering Structures, 2012, 45(2012): 299.

[13]熊海貝，劉應(yīng)揚(yáng)，楊春梅，等. 梁柱式膠合木結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)力性能試驗(yàn)[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，42(8): 1167.

XIONG Haibei, LIU Yingyang, YANG Chunmei,etal. Experimental study on lateral resistance of glued-laminated timber post and beam systems [J]. Journal of Tongji University: Natural Science, 2014, 42(8): 1167.

[14]André1 A, Johnsson H. Flax fiber-reinforced glued-laminated timber in tension perpendicular to the grain experimental study and probabilistic analysis [J]. Journal of Material in Civil Engineering, 2010, 22(9):827.

[15]ASTM International. ASTM E2126-11 Standard test methods for cyclic (reversed) load test for shear resistance of vertical elements of the lateral force resisting systems for buildings [S]. West Conshohocken: ASTM International, 2012.

[16]中華人民共和國(guó)建設(shè)部. JGJ101—1996 建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程[S]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

Ministry of Construction of the People’s Republic of China. JGJ101—1996 Specificating of testing methods for earthquake resistant building [S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 1997.

Experimental Study of Reinforcement Methods and Lateral Resistance of Glued-Laminated Timber Post and Beam Structures

XIONG Haibei, LIU Yingyang, YAO Ya, LI Bingyang

(College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：In order to study the lateral resistance of reinforced damaged glued-laminated timber post and beam structures, nine cyclic tests on full-scale one-storey, one-bay timber post and beam construction specimens were conducted, including three regular specimens as the control group and six reinforced specimens as the study group. Two reinforcement methods (wrapping the joints with fiber reinforced polymer (FRP) and implanting self tapping screws in the joints) and two structural systems (simple frame and frame with knee-brace) were considered in the experimental tests. Based on the experimental phenomena and test results, the feasibility of the reinforcement was discussed, the contribution between different methods was evaluated, and the seismic performances of the specimens were studied. The results show that both the two reinforcement methods can restrain the development of crack, and recover the strength, stiffness and energy dissipation capacity, and that the lateral resistance can be improved significantly when the failed timber frame retrofitted by reinforcing the joint and adding knee-brace. This approach can be very practical in engineering.

Key words：glued-laminated timber; timber post and beam structure; reinforcement; fiber reinforced polymer; self tapping screw; cyclic test

收稿日期：2015-06-02

通訊作者：劉應(yīng)揚(yáng)(1987—)，男，博士生，主要研究方向?yàn)楝F(xiàn)代木結(jié)構(gòu). E-mail: 12liuyingyang@#edu.cn

中圖分類(lèi)號(hào)：TU366.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

第一作者： 熊海貝(1964—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)、現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)的抗震性能.

E-mail: xionghaibei@#edu.cn