某木結(jié)構(gòu)連廊橫梁荷載試驗(yàn)對(duì)比分析研究

易 鑫，黃旭剛，李 剛

(1.湖南華城檢測(cè)技術(shù)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410017； 2.湖南中騰土木工程技術(shù)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410017)

0 引言

木結(jié)構(gòu)作為中國(guó)傳統(tǒng)的建筑形式，其材料主要以木材、磚瓦為主，結(jié)構(gòu)形式主要為木構(gòu)架結(jié)構(gòu)，通過(guò)眾多木構(gòu)件的組合而形成框架結(jié)構(gòu)體系，其柱網(wǎng)平面均采用均衡對(duì)稱(chēng)的布局。建造的結(jié)構(gòu)主要由立柱、橫梁、順檁等主要構(gòu)件組成,各構(gòu)件之間的連接結(jié)點(diǎn)以榫卯相吻合,構(gòu)成具有彈性的框架結(jié)構(gòu)。

1 工程概況

該工程建筑連廊主體結(jié)構(gòu)形式主要為木結(jié)構(gòu)[1]，建筑高度5.83 m，木結(jié)構(gòu)部分柱、梁、檁、枋等使用優(yōu)質(zhì)老杉木，材料等級(jí)為T(mén)C13A，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50 a，抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，抗震設(shè)防烈度為6度。水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于12%。該木橫梁截面為圓木，該廊架跨度為4.9 m，木橫梁材料強(qiáng)度和彈性模量如表1所示，建筑結(jié)構(gòu)圖如圖1，圖2所示。

表1 木橫梁材料強(qiáng)度等級(jí)和彈性模量 N/mm2

2 木結(jié)構(gòu)連廊橫梁加固方法

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，該木結(jié)構(gòu)連廊橫梁存在較寬裂縫，且裂縫深度延伸已超過(guò)橫梁中心線(xiàn)，裂縫長(zhǎng)度貫穿至梁柱節(jié)點(diǎn)位置。

綜合本工程的實(shí)際情況，在不改變木結(jié)構(gòu)體系的情況下，通過(guò)加強(qiáng)木結(jié)構(gòu)整體性、提高結(jié)構(gòu)承載能力以及經(jīng)濟(jì)合理的原則對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。具體加固方法如下：

1)通過(guò)對(duì)該木結(jié)構(gòu)連廊橫梁的裂縫采取注結(jié)構(gòu)膠封閉處理。

2)由于碳布的抗拉強(qiáng)度高于木材，同時(shí)還能通過(guò)環(huán)向約束增加其承載力。故采用碳纖維布[2-3]的加固方式對(duì)木結(jié)構(gòu)連廊橫梁進(jìn)行加固，在橫梁底部2/3周長(zhǎng)范圍內(nèi)順木紋貼碳布兩層[4]，并環(huán)貼碳布@300。加固設(shè)計(jì)圖詳見(jiàn)圖3。

3 荷載試驗(yàn)方案

3.1 荷載計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)行GB/T 50329—2012木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)荷載Pk=1.0×活載。由于該木屋蓋大部分自重已經(jīng)施加，僅屋面活荷載未施加。故本次荷載試驗(yàn)[5]施加荷載僅計(jì)算屋面活荷載。

依據(jù)GB/T 50329—2012木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[6]、GB 50005—2017木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[7]、GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[8]的規(guī)定，本次木橫梁荷載試驗(yàn)的荷載計(jì)算過(guò)程如下：

該工程4.0 m跨度橫梁，活荷載取值為0.5 kN/m2，橫梁跨度L=4.0 m，橫梁間距為4.1 m，橫梁上立柱受荷寬度為1.225×3 m=3.675 m，單個(gè)立柱集中荷載Pm：Pm=(1.0×活載×橫梁間距a× 橫梁上立柱受荷寬度b)/2，橫梁所受立柱集中力(試驗(yàn)荷載)：Pm=3.77 kN。單個(gè)立柱最大試驗(yàn)荷載Pm(檢驗(yàn)荷載)及每級(jí)荷載值如表2所示。

表2 木橫梁?jiǎn)蝹€(gè)立柱最大試驗(yàn)荷載Pm(檢驗(yàn)荷載)及每級(jí)荷載值表

3.2 加載制度

1)本工程試驗(yàn)的木橫梁跨度為4.0 m，本次試驗(yàn)采用在橫梁立柱處布置集中荷載的方式進(jìn)行加載，荷載材料選用液體材料(水)，加載方式示意圖如圖4所示。

2)試驗(yàn)預(yù)加荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)分五級(jí)加載，兩級(jí)卸載，第一級(jí)加載至預(yù)加荷載標(biāo)準(zhǔn)值的20%，第二級(jí)加載至40%，第三級(jí)加載至60%，第四級(jí)加載至80%，第五級(jí)加載至100%；第一級(jí)卸載至預(yù)加荷載標(biāo)準(zhǔn)值的50%，第二級(jí)卸載為100%。加載至預(yù)加荷載標(biāo)準(zhǔn)值之前每級(jí)加載的時(shí)間間隔為10 min，持荷10 min之后讀取百分表讀數(shù)，加載至預(yù)加荷載標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，持荷時(shí)間為30 min，卸載持荷時(shí)間均為15 min。

3.3 測(cè)點(diǎn)布置

在該工程所測(cè)木橫梁構(gòu)件的兩端點(diǎn)及跨中位置安裝3個(gè)百分表記錄變形量，測(cè)點(diǎn)布置示意圖詳見(jiàn)圖5，現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)詳見(jiàn)圖6。

3.4 跨中實(shí)測(cè)撓度測(cè)量

根據(jù)規(guī)范要求[9]，采用水準(zhǔn)儀或全站儀對(duì)該工程在現(xiàn)有狀態(tài)下(未增加試驗(yàn)荷載)木橫梁進(jìn)行撓度測(cè)量。選取木橫梁下沿中央點(diǎn)及下弦兩端點(diǎn)，計(jì)算在現(xiàn)有狀態(tài)下的撓度值。具體檢測(cè)程序及方法如下：

1)在A點(diǎn)處設(shè)置水準(zhǔn)儀。

2)通過(guò)A點(diǎn)測(cè)出木橫梁下沿中央點(diǎn)及下弦兩端點(diǎn)的高程H。

3)根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的高程值，按式(1)計(jì)算即可得到中點(diǎn)及下弦兩端點(diǎn)的撓度：

fi=(H1-Hi)-L1i/L×(H1-H2)

(1)

其中，H1為端點(diǎn)1高程值；H2為端點(diǎn)2高程值；Hi為測(cè)點(diǎn)i高程值；fi為i點(diǎn)處撓度值；L1i為端點(diǎn)1至測(cè)點(diǎn)i水平距離；L為端點(diǎn)1至端點(diǎn)2水平距離。

3.5 撓度計(jì)算

1)各級(jí)荷載作用下的跨中撓度實(shí)測(cè)值，按式(2)計(jì)算(1點(diǎn)、3點(diǎn)為兩端測(cè)點(diǎn)，2點(diǎn)為跨中測(cè)點(diǎn))：

(2)

2)試驗(yàn)荷載作用下的跨中撓度，按式(3)計(jì)算：

ωs=ωi

(3)

4 加固前后荷載試驗(yàn)結(jié)果

4.1 初始撓度檢測(cè)

根據(jù)規(guī)范要求，采用水準(zhǔn)儀對(duì)該工程在加固前后初始狀態(tài)下(未增加試驗(yàn)荷載)木橫梁進(jìn)行撓度測(cè)量。具體檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 木橫梁初始撓度檢測(cè)結(jié)果表 mm

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照加載方案進(jìn)行木橫梁加載試驗(yàn)，加固前荷載-變形圖如圖7所示，加固后荷載-變形圖如圖8所示，具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 木橫梁試驗(yàn)數(shù)據(jù)表 mm

4.3 試驗(yàn)后構(gòu)件損傷檢查

根據(jù)GB/T 50329—2012木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)、GB 50206—2012木結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[10]的規(guī)定對(duì)本次加固后的木橫梁荷載試驗(yàn)過(guò)程中的破壞情況進(jìn)行目測(cè)檢查。檢查結(jié)果如下：

1)試驗(yàn)過(guò)程中及試驗(yàn)后，未發(fā)現(xiàn)該加固后木橫梁發(fā)生承載力破壞和連接節(jié)點(diǎn)破壞。

2)試驗(yàn)過(guò)程中及試驗(yàn)后，未發(fā)現(xiàn)該加固后木橫梁原有順紋裂縫明顯擴(kuò)張及新裂縫的產(chǎn)生。

3)試驗(yàn)過(guò)程中及試驗(yàn)后，未發(fā)現(xiàn)該加固后木橫梁撓度有急劇增大現(xiàn)象。

4.4 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)加固前、加固后試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果表明：該木橫梁加固前在試驗(yàn)荷載作用下的撓度值為0.271 mm，加固后在試驗(yàn)荷載作用下的撓度值為0.236 mm。該木結(jié)構(gòu)連廊橫梁在加固后的試驗(yàn)荷載作用下的變形性能提高了13.9%，變形性能得到改善。加固前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)如表5所示。

表5 木構(gòu)件加固前、加固后試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)結(jié)果表

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)行木結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)范對(duì)某木結(jié)構(gòu)連廊橫梁裂縫采用注結(jié)構(gòu)膠封閉、木橫梁整體采用碳纖維布加固的處理方法，并在加固前后分別進(jìn)行靜荷載試驗(yàn)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該木結(jié)構(gòu)連廊橫梁加固后在試驗(yàn)荷載作用下，無(wú)明顯受損情況，且撓度變形得到有效改善，其受彎承載力可提高約13.9%。可為其他類(lèi)似工程提供參考。