碳纖維布在木結(jié)構(gòu)建筑物加固中的應(yīng)用

華國(guó)斌，余　暉，管國(guó)強(qiáng)

(浙江眾安建筑特種工程有限公司，浙江 杭州 310012)

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碳纖維布在木結(jié)構(gòu)建筑物加固中的應(yīng)用

華國(guó)斌，余暉，管國(guó)強(qiáng)

(浙江眾安建筑特種工程有限公司，浙江 杭州 310012)

摘要：通過(guò)一個(gè)碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)建筑物的工程實(shí)例，介紹了碳纖維布在木結(jié)構(gòu)建筑物加固中的應(yīng)用，由于此加固方法基本上不影響木結(jié)構(gòu)建筑物的外觀，因此受到業(yè)主的歡迎。

關(guān)鍵詞：碳纖維布；加固；木結(jié)構(gòu)；古建筑

1木結(jié)構(gòu)加固概述

木結(jié)構(gòu)具有取材便利、價(jià)格便宜、施工簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是人類最早采用的結(jié)構(gòu)形式之一。目前，我國(guó)仍保存有大量的木結(jié)構(gòu)民居、橋梁、寺廟、樓塔等古建筑。由于木結(jié)構(gòu)本身的材料缺陷和環(huán)境因素，導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)需要頻繁地維護(hù)和修復(fù)；而建筑物使用功能和使用荷載的改變，導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)需要改造和增強(qiáng)。常見(jiàn)的修復(fù)和加固木結(jié)構(gòu)的方法有直接用新材料或者用混凝土、鋼材替換原有木結(jié)構(gòu)，設(shè)斜撐加固節(jié)點(diǎn)、嵌縫加箍等，這些傳統(tǒng)方法，往往會(huì)破壞木結(jié)構(gòu)建筑物原有風(fēng)貌，不能達(dá)到古建筑“修舊如舊”的標(biāo)準(zhǔn)，且由于其帶來(lái)金屬構(gòu)件易腐蝕、附加重量大等缺陷，不能廣泛應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)的加固中。

碳纖維布(CFRP布)具有可塑性大、易剪裁成型、強(qiáng)度高、重量輕和易于施工等優(yōu)點(diǎn),較適用于非規(guī)則斷面的木結(jié)構(gòu)表面粘貼，且由于其對(duì)木結(jié)構(gòu)外觀影響較小，適合在木結(jié)構(gòu)建筑物加固領(lǐng)域中大面積應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外大量的實(shí)驗(yàn)研究表明：粘貼碳纖維布，能提高木結(jié)構(gòu)的承載能力，并且兩種材料之間具有良好的粘結(jié)性能，能夠很好地協(xié)同工作。

本文通過(guò)一個(gè)碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)建筑物的工程實(shí)例，說(shuō)明加固前后結(jié)構(gòu)的承載力變化情況，并通過(guò)展示加固前后建筑物的外觀變化，為今后想通過(guò)碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)建筑物的設(shè)計(jì)者提供參考。

2工程概況

某徽派住宅，共2層，木結(jié)構(gòu)。因使用需求，2層需擺放家具，樓面使用荷載需提高到2.5 kN/m2，同時(shí)，業(yè)主要求加固改造后不能改變其木結(jié)構(gòu)建筑物風(fēng)格。

經(jīng)計(jì)算復(fù)核，原結(jié)構(gòu)2層梁承載力不能滿足提高后的荷載要求(板、柱能滿足)，如采用混凝土或鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行托換，則改變了原有木結(jié)構(gòu)建筑物的風(fēng)格；如采用木結(jié)構(gòu)進(jìn)行托換，則施工繁瑣，造價(jià)昂貴，且在托換過(guò)程中易對(duì)原有木結(jié)構(gòu)形成破壞。經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘查，原木結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀保持較好，經(jīng)計(jì)算重新復(fù)核，粘貼碳纖維纖維布后，木梁承載力能達(dá)到改造后荷載要求，且粘貼碳布后，木梁截面尺寸不發(fā)生變化，后續(xù)通過(guò)碳布表面刷油漆等方式，能表現(xiàn)出其木結(jié)構(gòu)建筑物風(fēng)格。因此業(yè)主同意采用粘貼碳布的方式對(duì)此木結(jié)構(gòu)建筑物進(jìn)行加固改造處理。

3計(jì)算復(fù)核

選取單根最不利木梁進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，該木梁跨度為3.6 m，所屬房間面積為3.6 m×0.7 m。木梁寬度b=120mm，高度h=160mm。原木梁的抗剪承載能力在未加固前已經(jīng)滿足要求，這里不再重復(fù)，此計(jì)算復(fù)核主要針對(duì)的是木梁的抗彎承載力。

木材抗彎強(qiáng)度f(wàn)m=15N/mm2

考慮折減系數(shù)，取0.7

fm=15×0.7=10.5N/mm2

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，粘貼碳纖維布后，其抗彎強(qiáng)度約提高20%。

加固后的木材抗彎強(qiáng)度：

fm=10.5×1.2=12.6 N/mm2

恒載取1.5 kN/m2，活載取2.5 kN/m2。

q=1.2×1.5×0.7+1.4×2.5×0.7=3.71 kN/m

根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50005—2003)》第5.2.1條，木結(jié)構(gòu)的抗彎承載力應(yīng)按下式驗(yàn)算：

式中：fm為木材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；

M為受彎構(gòu)件彎矩設(shè)計(jì)值，kN·m；

Wn為受彎構(gòu)件凈截面抵抗矩，mm3。

因此經(jīng)碳纖維布加固后的木梁能滿足承載力要求。

4加固方案

經(jīng)計(jì)算，木梁抗彎承載力不足，需粘貼碳纖維布加固處理，木樓板、木柱雖經(jīng)計(jì)算承載力滿足要求，但考慮到木結(jié)構(gòu)年代已久，自身存在一些病害，因此對(duì)木樓板、木柱粘貼碳纖維布進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)處理。加固節(jié)點(diǎn)詳圖見(jiàn)圖1～3。

圖1　梁粘貼碳纖維布加固詳圖

圖2　柱粘貼碳纖維布加固詳圖

圖3　板粘貼碳纖維布加固詳圖(仰視圖)

5外觀對(duì)比

該建筑物為2層木結(jié)構(gòu)徽派住宅，加固改造前有很強(qiáng)烈的古建筑風(fēng)格，通過(guò)加固改造前后房屋外觀及內(nèi)部的對(duì)比，該風(fēng)格并沒(méi)有被破壞，基本上達(dá)到了“修舊如舊”的效果。見(jiàn)圖4。

圖4　加固后房屋外觀及內(nèi)部

6結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)一個(gè)碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)建筑物的工程實(shí)例，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)碳纖維布和木材能很好的共同工作,因此可用于古建筑木結(jié)構(gòu)的加固或新建木結(jié)構(gòu)建筑的增強(qiáng)。

2)當(dāng)木結(jié)構(gòu)建筑物因年代久遠(yuǎn)，需補(bǔ)強(qiáng)維修時(shí)，或因其使用荷載增加，但增加幅度不大時(shí)，可選用碳纖維布進(jìn)行加固處理。

3)碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)建筑物，對(duì)其外觀沒(méi)有大的影響，基本上能達(dá)到“修舊如舊”的效果。

收稿日期：2015-12-18

作者簡(jiǎn)介：華國(guó)斌(1980—)，男，浙江杭州人，工程師，從事建筑加固改造工作。

中圖分類號(hào)：TU366.2；TU746.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1008-3707(2016)04-0033-03

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HUA Guobin, YU Hui, GUAN Guoqiang