CFRP加固木結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

張 莉 張燕芹

0 引言

由于木材資源的限制以及保護文物的需要,在木結(jié)構(gòu)古建筑的維修和改造中不可能大面積的替換新材,而傳統(tǒng)的加固修復(fù)方法往往會破壞建筑物原貌或帶來化學(xué)腐蝕和銹蝕,所以迫切需要施工簡便、耐久性好、見效快的加固補強技術(shù)。纖維增強復(fù)合材料(Fiber Rein forced Plastics或Fiber Reinforced Polymers,簡稱FRP)這一新型高性能功能性修復(fù)復(fù)合型材料的出現(xiàn),給木結(jié)構(gòu)加固的發(fā)展帶來了新的機遇。隨著其生產(chǎn)技術(shù)水平的提高,生產(chǎn)成本降低,生產(chǎn)規(guī)模擴大,FRP逐漸被應(yīng)用于建筑物的加固維修工程中。

土木工程領(lǐng)域通常應(yīng)用的 FRP復(fù)合材料,從材料形式上分,主要有片材(布狀片材和板狀片材)、筋、棒和索等。根據(jù)增強材料的不同,可以分為碳纖維復(fù)合材料(CFRP)、玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)和芳綸纖維復(fù)合材料(AFRP)。目前,在建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)加固的工程中研究和應(yīng)用最為廣泛的是CFRP,技術(shù)也最為成熟。

1 CFRP加固木結(jié)構(gòu)的方式

根據(jù)施工方法的不同,常用的CFRP加固木結(jié)構(gòu)構(gòu)件有兩種方式：外部粘貼法和內(nèi)嵌加固法。外部粘貼法將CFRP片材用結(jié)構(gòu)膠粘貼于構(gòu)件表面,使其與構(gòu)件共同變形受力。這種方法施工簡便快捷、成本低、無腐蝕問題,并且可加固形狀較復(fù)雜的構(gòu)件,但是容易發(fā)生加固片材因粘結(jié)失效引起的剝離破壞。針對于此,研究人員將 CFRP筋、棒等加固材料嵌入結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面預(yù)先開好的槽內(nèi)并以樹脂膠粘劑封填,以此來改善加固材料與構(gòu)件的整體粘結(jié)性能,充分發(fā)揮加固材料的強度,此即內(nèi)嵌加固法[1]。

按照加固對象的不同,CFRP加固木結(jié)構(gòu)構(gòu)件大致有下面三種方式：1)梁的抗彎抗剪加固：在進行抗彎加固時,CFRP復(fù)合材料的纖維方向與梁的軸向一致,一般粘貼或嵌補于梁的受拉側(cè),使碳纖維材料承受拉力,提高梁的受彎承載力。在進行抗剪加固時,CFRP復(fù)合材料設(shè)置在剪跨區(qū),其纖維方向與梁的軸向垂直或成一定的角度。2)板的加固：加固單向板時,加固材料沿短跨方向設(shè)置;加固雙向板時,沿兩個方向設(shè)置。3)柱的加固：CFRP加固柱最為常見的形式為外包碳纖維布或條帶,碳纖維方向沿柱環(huán)向。柱可由單層或多層纖維布完全包裹,也可用纖維布條帶形成連續(xù)的螺旋箍或間隔的環(huán)箍進行部分包裹。

2 CFRP加固木梁抗彎和抗剪性能研究

20世紀(jì) 90年代,隨著纖維材料的大幅降價,國內(nèi)外一些學(xué)者開始深入研究纖維材料增強木梁的力學(xué)性能。1992年,Plevris和Triantafillou[2]進行了碳纖維加固冷杉木梁的試驗并結(jié)合buchanan的本構(gòu)關(guān)系模型進行了理論分析。同年,Triantafillou,Deskovic[3]完成了預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固木梁的試驗,試驗結(jié)果表明加固木梁的受彎承載力、剛度和延性均有明顯提高,其中承載力提高了20%～40%。1994年,Abdel-Magid[4]進行了9根鐵杉木梁受拉區(qū)加固試驗,其中3根加筋,3根粘貼碳纖維布,3根粘貼芳綸纖維,結(jié)果表明粘貼碳纖維布的木梁強度提高了 32%,大大高于芳綸纖維加固的木梁。1997年,Triantafillou[5]進行了21根受剪加固木梁的試驗,深入研究了碳纖維加固木梁的抗剪性能,分析了影響強度提高的纖維材料的用量、類型等參數(shù)。2000年,Johns,Lacroix[6]進行了一系列的碳纖維和玻璃纖維加固木梁的試驗,發(fā)現(xiàn)了其強度比未加固的木梁提高了 40%～70%,證明這種加固可以很有效地改善木梁的受力性能。

在國內(nèi),2003年張大照[7]首次進行了CFRP布粘貼于受拉表面加固圓形木梁的試驗,指出一般單層CFRP布加固木梁的強度提高 40%～50%,并能有效地改善木梁的變形性能。

周鐘宏[8]進行了CFRP布加固矩形木梁的試驗,結(jié)果表明梁的高寬比越小,其加固后的極限承載力和剛度的提高幅度越大。對高寬比為 2的試件,粘貼一層和兩層CFRP布后承載力分別提高 36%～42%和 55%～57%,剛度也有大幅度的提高。而高寬比為3的試件粘貼兩層CFRP布后承載力僅提高17%～25%,剛度也沒有明顯的變化。

王鋒[9]采用了三種方式加固木梁,直接粘貼碳纖維布、預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固和嵌固玻璃纖維筋來增強木梁受力性能。試驗結(jié)果表明這三種方式都提高了木梁的承載力,但是直接粘貼碳纖維布提高的不多,只提高了11.1%。施加預(yù)應(yīng)力后承載力大幅度提高,幅度為 25%,而第三種加固方式也提高了 20.4%。

祝金標(biāo)[10]進行了粘貼 CFRP布加固受損木梁的試驗研究。所有受損試件均是在木梁受拉區(qū)挖去一定截面高度的木材,然后用強力接著劑在缺口中墊補上相同材質(zhì)木塊,以模擬木梁的截面抗彎性能受損情況,研究表明,除了粘貼一層的且截面損傷大于50%的木梁只是達到了損傷前的承載力水平外,其余的加固梁粘貼CFRP布后,承載力都有顯著提高。

馬建勛等[11]設(shè)計了兩種加固方案,分別研究 FRP布用量和錨固長度對加固效果的影響。其中第一種通過變換 FRP布的寬度來實現(xiàn)。試驗結(jié)果表明,隨著配布率的增大,木梁的極限荷載增大,但是提高程度有所下降。

丁燁[12]進行了CFRP和GFRP加固意楊木梁的試驗,試驗結(jié)果表明,CFRP比GFRP的加固效果要好。粘貼單層GFRP和單層CFRP的意楊木梁的受彎極限承載力分別提高了41%和48%。

謝啟芳[13]進行了 8根木梁的對比試驗,以研究加固梁的受力性能。其中加固梁的變化參數(shù)為梁底CFRP布的用量層數(shù)、純彎段CFRP布環(huán)箍道數(shù)、剪跨比。試驗表明,加固梁的承載力比未加固梁均有不同程度提高。用一層CFRP承載力提高約為 13%～17%。用兩層的加固效果大于一層,承載力提高約為20%～30%。粘貼布環(huán)箍的梁比未粘貼布環(huán)箍的梁承載力有所提高,但作用不太明顯。

3 CFRP加固木柱軸心抗壓性能研究

Mallinath Nagara[14]進行了CFRP和GFRP加固膠合木柱的試驗研究,其中加固方式又分為通長包裹和部分包裹,結(jié)果證明CFRP加固效果強于GFRP,通長包裹方式承載力提高56%～65%,而部分包裹方式承載力只提高 19%～26%。Taheri[15]等進行了CFRP加固長細(xì)比為16的膠合方木柱的試驗研究,加固后膠合方木柱的極限承載力提高了60%～70%。

張大照[7]進行了CFRP布加固短木柱(1m)和長木柱(2m)的試驗研究,試驗結(jié)果表明,不論是短木柱還是長木柱,加固后承載力都有所提高,而且包裹CFRP布可以約束圓木柱的橫向變形,顯著地提高木柱的延性。但是對于短木柱來說,承載力提高的幅度并不隨著層數(shù)的增加而增強。

馬建勛等[16]進行了 8根CFRP布加固圓形木柱的試驗研究,設(shè)置了包裹層數(shù)、碳纖維布幅寬和間距等變化參數(shù)來考慮對承載力提高的影響。試驗結(jié)果表明,加固后圓形木柱軸壓承載力明顯提高,幅度在 18%～33%之間,碳纖維布加固量的增加和間距的減小都會明顯地提高承載力。層數(shù)對承載力的提高作用有兩種不同的結(jié)果,在比較理想的破壞狀態(tài)下,包裹兩層和一層的木柱承載力分別提高33.6%和26.6%,效果比較顯著;另一種情況是包裹兩層和一層的木柱承載力分別提高20.8%和26.4%,承載力提高的幅度隨著層數(shù)的增加而有所降低。

姚江峰等[17]進行了 24根復(fù)合纖維加固圓木柱的試驗研究,加固后圓木柱的極限承載力可提高 14.3%～45.7%。而且,通過包裹方式的對比,證明了全包裹比條狀包裹加固效果好。最后提出了承載能力提高幅度的簡化計算公式。

張?zhí)煊頪18]進行了 6根 CFRP包裹加固舊圓木柱軸壓的試驗研究,由于試件的截面大小不同而將承載力換算為抗壓強度來比較提高的程度,發(fā)現(xiàn)全長包裹兩層和一層CFRP加固的提高幅度分別為 22%和 18%,而間隔加固的試件只提高了 7%。

周鐘宏等[19]進行了CFRP加固14根短木柱(500mm)和10根長木柱(1 500mm)的試驗,其中CFRP布的粘貼方向分為縱向和橫向。試驗結(jié)果表明,不論長短,縱向粘貼碳纖維布都有效地提高了承載力,粘貼一層時,短木柱和長木柱分別提高了 6%～30%和 42%。粘貼兩層后比一層的提高幅度大,分別為 35%～46%和46%～72%。而橫向粘貼CFRP布對承載力的影響不明顯。

賈卉琳等[20]進行了 FRP加固木圓柱(φ50×150和 φ100×300)的試驗,第一組木柱(φ50×150)分別采用CFRP和GFRP進行加固,粘貼方式為橫向粘貼一層或兩層,試驗結(jié)果表明隨著層數(shù)的增加,木柱的承載力提高幅度增大,而且GFRP的加固效果比CFRP好,一層和兩層的提高程度分別為15.8%和26.2%。第二組(φ100×300)木柱大部分采用CFRP進行加固,加固方式有兩端包裹和縱橫向粘貼一層或兩層。結(jié)果表明,橫向包裹的承載力提高不明顯,縱向粘貼的木柱承載力提高了 28.3%～56.6%。

王鯤進行了 8根圓柱形構(gòu)件的軸心受壓試驗,試件分未開裂和開裂兩組,試驗結(jié)果表明,未開裂的木柱經(jīng)過包裹后承載力提高不明顯,開裂的木柱經(jīng)加固后大部分試件承載力有了明顯的提高。

許清風(fēng)等[21]進行了CFRP加固短方木柱的試驗研究,通過39根短木柱試件的試驗,研究了CFRP層數(shù)、倒角半徑等對短木柱受力性能改善的影響程度。結(jié)果表明,倒角半徑對短木柱受力性能的影響不明顯,而CFRP層數(shù)對短木柱受力性能的影響明顯。粘貼一層或兩層CFRP后,短木柱的極限應(yīng)力分別提高5.2%和17.4%,延性系數(shù)分別提高40.7%和71.6%,粘貼兩層CFRP的加固效果明顯優(yōu)于粘貼一層CFRP的加固效果。

許清風(fēng)等[22]還進行了 CFRP修補和加固局部破壞方柱(190mm×190mm×650mm)的試驗研究,試件分為底端腐朽和局部損傷兩組。其中底端腐朽的木柱用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)并包裹CFRP布后,承載力基本恢復(fù)到未損傷的水平,延性也與未損傷試件相近,嵌入AFRP筋則承載力提高約18%。對于局部損傷的木柱,采用同質(zhì)順紋木塊填補后承載力恢復(fù)到88%,再用CFRP布后承載力恢復(fù)到無損傷的水平或者略有提高,同時延性提高約為16%;采用橫紋方向木塊填補時承載力下降為未損傷試件的64%,但是延性增加為未損傷試件的 3倍。

4 結(jié)語

目前國內(nèi)外研究者對纖維增強材料加固木梁的研究已經(jīng)做了大量的工作,取得了諸多有意義的研究成果,但CFRP加固木結(jié)構(gòu)研究的深度和廣度仍有欠缺,仍需進行深入研究。目前研究存在問題包括：

1 )主要側(cè)重于“一次受力”,即對未受荷的構(gòu)件進行直接加固,加載至極限破壞。上述試驗條件與實際工程中需加固的構(gòu)件存在一定差異,因為在實際工程中,需加固的木梁仍需繼續(xù)承擔(dān)部分或全部荷載,構(gòu)件在這種狀態(tài)下即屬于“二次受力”。2)主要是對試驗的現(xiàn)象進行分析總結(jié),較少有通過數(shù)值的方法進行模擬分析,與試驗的結(jié)果進行對比研究。3)基于木材可燃的特點,應(yīng)進行FRP加固木結(jié)構(gòu)防火性能的研究等。我國現(xiàn)有大量的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑,隨著人們環(huán)保意識的不斷加強,相信現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑在我國也將會逐漸發(fā)展,所以木結(jié)構(gòu)的維修、加固研究無論是從生產(chǎn)應(yīng)用還是學(xué)術(shù)研究來說都具有非常重要的意義。而CFRP修復(fù)加固木結(jié)構(gòu)的研究,將極大地推動木材工業(yè)和木質(zhì)建筑的發(fā)展,具有極為廣闊的應(yīng)用前景。

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