景觀木亭斷梁再續(xù)

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（1.廣東省建筑設(shè)計研究院，廣東　廣州　510010；2.廣州奔達建工補強專業(yè)有限公司，廣東 廣州 510010）

景觀木亭斷梁再續(xù)

霍文斌1，黃龍?zhí)?，郭志強2

（1.廣東省建筑設(shè)計研究院，廣東廣州510010；2.廣州奔達建工補強專業(yè)有限公司，廣東 廣州 510010）

在建的景觀亭承重疊合梁在跨中和1/3跨處無連接拼接，疊合梁嚴重變形近于折斷，喪失大部分的承載力，面臨坍塌。采用粘貼碳纖維片材加固后，不僅恢復(fù)和提高了整體的承載力，且覺察不到加固的痕跡，使用至今已6a，未見異常，效果良好。實踐證明碳纖維加固木結(jié)構(gòu)的方法是成功的，如用于古建筑的木結(jié)構(gòu)維修加固應(yīng)有廣闊前景。

木結(jié)構(gòu)；疊合梁拼接；碳纖加固；測試；效果

1　概況

某賓館中庭四種不同形態(tài)的在建景觀木亭，在主體結(jié)構(gòu)完成后還未蓋瓦，發(fā)現(xiàn)各承重主梁均已嚴重彎曲下?lián)?，撓度絕對值超過30 mm（見圖1），不得加設(shè)臨時支撐，后續(xù)工序已無法進行，如果再上屋面荷載則有坍塌可能

圖1　景觀木亭主梁下?lián)?/p>

2　原因

檢查發(fā)現(xiàn)承重主梁是由兩或三根方木組成的疊合梁，圖2是其中一個亭未上屋面瓦前的竣工圖，組成疊合梁的方木在跨中和1L附近拼接，接口無連3接，實際上是由未固接的懸挑梁受力，結(jié)構(gòu)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，是構(gòu)造上的嚴重失誤。

3　處理方案

因為上部構(gòu)造已經(jīng)完成，不可能拆除重建；主梁拼接口如用鋼構(gòu)件連接或加固勢必影響外觀，并且違反規(guī)范關(guān)于“在受彎構(gòu)件的受拉邊，不得打孔或開設(shè)缺口”的規(guī)定［1］。經(jīng)比較決定采用粘貼碳纖維片材對主梁進行加固處理，并對疊合梁的拼接縫和水平縫壓注結(jié)構(gòu)膠，使形成完整的截面，提高截面的抗彎剛度。

圖2　某亭未上屋面瓦前竣工圖（單位：mm）

4　采用碳纖維片材加固木結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件的可行性

對疊合梁的拼接豎截面壓注優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)膠，以保證截面受壓區(qū)的緊密連接，在梁的下緣粘貼碳纖維片材取代被截斷的木纖維的抗拉功能，在理論上是成立的，碳纖維的抗拉強度是3 000 MPa以上，木材抗彎極限強度實測值一般是75～90 MPa［2，3］，碳纖抗拉強度是木材的33倍以上，0.167 mm厚的碳纖片材抗拉能力約相當(dāng)于1.6 mm的鋼板，粘貼碳纖只要錨固長度足夠，可不設(shè)錨固螺栓，不會損壞原結(jié)構(gòu)。本工程的受彎桿件的下緣均采用雙層碳纖布加固，其抗彎承載能力應(yīng)遠高于原設(shè)計的抗彎承載力。為驗證加固的可行性和加固效果，實施加固前，用碳纖加固小尺度的木桿件作破壞試驗。

5　碳纖布加固單根木試件檢測

5.1材質(zhì)

試件采用本工程的相同的無疵方木（柚木），共分三組，三組試件材質(zhì)相同，每組三個試件。

試件截面和加載簡圖：截面b×h=30 mm×20 mm，見圖3?，F(xiàn)場照片見圖4、圖5。

圖3　試件截面和加載簡圖（單位：mm）

圖4　原材無接口試件破壞前撓度較小

圖5　碳纖加固有拼接口試件破壞前撓度大不斷

5.2測試結(jié)果

測試結(jié)果見表1。

表1　測試結(jié)果匯總表

5.3試驗結(jié)果描述

第一組試件是無接口的原材，對比用。破壞彎矩平均值0.154 kN·m，是受拉區(qū)木纖維拉斷，斷裂前撓曲變形不大，下緣木纖維突然拉斷，呈脆性破壞特征。按實測值計算抗彎極限強度77 MPa，遠大于按規(guī)范的取值fm=15～17 MPa，原因是規(guī)范木材抗彎強度的設(shè)計值已隱含了抗力的分項系數(shù)并經(jīng)過調(diào)整，試件是木材極限強度的實際數(shù)值。

第二組試件拼接面在跨中，用結(jié)構(gòu)膠粘合，極限彎矩平均值僅為0.071 kN·m，約相當(dāng)于第一組原材試件的46%，斷口在拼接面，突然折斷，其彎曲抗拉能力取決于膠的正粘結(jié)強度，結(jié)構(gòu)膠的正粘結(jié)強度一般僅2.5～3.5 MPa，遠低于木材纖維的彎拉強度，所以拼接截面不能單靠粘合加固。第三組試件拼接面在跨中，用結(jié)構(gòu)膠粘合，下緣粘貼單層碳纖加固，極限彎矩實測平均值0.28 kN·m，沒有折斷，破壞是支點橫紋受擠壓破壞，見圖6。破壞前試件明顯彎曲，碳纖未剝落，上緣受壓區(qū)亦未見擠壓破壞。實測極限彎矩是無接口的原材試件的1.8倍。

圖6　支承點擠壓破壞后的拼接木試件

5.4基本結(jié)論

（1）受彎木桿件截面拼接，采用直接粘合無效，受彎時在粘合面折斷；

（2）受彎木桿件截面拼接，桿件下緣經(jīng)碳纖加固后抗彎承載力不會低于全截面的桿件；

（3）粘貼單層碳纖維加固有斷口的試件比未經(jīng)加固的無斷口的整根試件抗彎承載力可提高35%以上；

（4）受彎木桿件經(jīng)碳纖加固后，可避免下緣木纖維受拉突然拉斷所出現(xiàn)的脆性破壞。

6　計算驗證：

參照《碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)技術(shù)規(guī)程》和木材抗彎特性，彎曲破壞時受壓區(qū)出現(xiàn)較大的塑性變形，推導(dǎo)碳纖加固木桿件的計算公式（推導(dǎo)另詳附件“木梁拼接截面碳纖加固抗彎承載力”）：

式中：εcu為木材順紋受壓極限壓應(yīng)變，可取0.006～0.008；εy為木材順紋受壓比例極限應(yīng)，可取0.002～0.004［4，5］；εfil為碳纖片材極限拉應(yīng)變，取0.014；Af為碳纖面積計算值（mm2）；Ef為碳纖彈性模量，取210 000 MPa；fcu為木材極限抗彎強度；b，h為矩形截面的寬、高，mm。為與試件實測值對比，取h=20，b=30，εcu=0.008，εy=0.003，εfu=0.014，fcu按實測值計算抗彎極限強度77 MPa。

計算結(jié)果是：

Mu=0.232 kN·m，Af=4.64 mm2

計算值Mu=0.232 kN·m小于實測值0.28 kN·m，計算值約為實測值的82%，碳纖面積計算值A(chǔ)f= 4.64 mm2，實用值 5.01 mm2。

由于材質(zhì)的離散性影響了參數(shù)的取值，理論值與實驗值的差異是正常的，抗彎強度的理論值低于實測值，說明按理論公式計算還是比較接近實際且偏向安全。

7　加固實施方案

加固范圍：各亭主梁、斜梁、檁條等承重構(gòu)件有拼接的部位。

（1）對變位較大的主梁，用小噸位千斤頂復(fù)位，同時進行監(jiān)測；復(fù)位后在跨中兩側(cè)加設(shè)臨時支頂；

（2）對疊合梁的豎向拼接面壓注結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)；

（3）疊合梁間的水平縫隙壓注結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)，使形成全截面，提高疊合梁的抗彎承載力；

結(jié)構(gòu)膠主要性能指標(biāo)，見表2。

表2　結(jié)構(gòu)膠主要性能指標(biāo)

（4）疊合梁下緣粘貼兩層碳纖布加固，拼接口部位，側(cè)面粘貼碳纖布以增強梁的整體性。

8　荷載試驗

選擇一個木亭加固后進行靜載試驗，檢測加固效果，見圖7。

圖7　木亭屋面加載檢測

屋面荷載設(shè)計值：

q=1.2×1+1.4×0.5=1.9 kN/m2

加載重量：2.5 kN/m2是荷載設(shè)計值的1.3倍；加載時長：12 h，L=3 m主梁實測最大撓度6 mm，相當(dāng)于1/500，滿足規(guī)范撓度限值的要求。

9　回　訪

經(jīng)加固的6個木亭，投入使用至今已6 a，一直正常工作，沒有任何異樣，外觀上看不到經(jīng)過加固的痕跡，實踐證明碳纖維加固木結(jié)構(gòu)的方法是成功的，如用于古建筑的木結(jié)構(gòu)維修加固應(yīng)有廣闊前景。

［1］GB50005-2003，木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］龔偉，李希鈞，劉勵誠.鋼結(jié)構(gòu)與木結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國建筑出版社，1988.

［3］廣西大學(xué).木材學(xué)［Z］.

［4］GB50009-2001，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［5］CECS 146:2003，碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.

TU366.2

B

1009-7716（2016）06-0329-03

2016-02-23

霍文斌（1978-），男，廣西桂林人，高級工程師，從事路橋設(shè)計工作。