FRP加固木梁抗弯性能研究进展.pdf

低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300DOI：10.13905/ki.dwjz.2023.6.008FRP加固木梁抗弯性能研究进展RESEARCH PROGRESS ON FLEXURAL PROPERTIES OF FRP-REINFORCED WOODEN BEAMS郑少媛，赵腾飞，赵剑桥（聊城大学建筑工程学院，山东 聊城 252000）ZHENG Shaoyuan,ZHAO Tengfei,ZHAO Jianqiao（School of Civil Engineering,Liaocheng University,Shandong Liaocheng 252000,China）【摘要】木梁是木结构中主要受力构件之一，进行木梁加固对于加强结构的整体稳定性尤为重要。目前FRP加固技术在木梁加固领域被广泛应用和研究，文中依据不同加固方法，分类总结已有的FRP加固木梁的研究成果，分析FRP布加固完好和损伤木梁的受弯性能以及FRP筋/片加固木梁的受弯性能，并进行了对比研究。最后提出了仍存在的不足并给出进一步研究的建议，以期为木结构的保护提供参考。【关键词】木梁；FRP；加固；抗弯性能【中图分类号】TU366.2【文献标志码】A【文章编号】1001-6864（2023）6-0034-04Abstract：Wooden beams are one of the main load-bearing elements in wood structures,reinforcement of which isparticularly important to enhance the overall stability of the structure.The FRP reinforcement technology is widelyused and studied in the field of wood beam reinforcement.In this paper,the existing research results of FRP reinforced wood beams are classified and summarized according to different reinforcement methods.The flexural performance of FRP cloth reinforced intact and damaged wood beams,and the flexural performance of FRP tendon/chip reinforced wood beams are analyzed.Finally,the shortcomings still exist and suggestions for further research are givento provide the reference for the protection of wooden structures.Key words：wooden beams;FRP;reinforce;bending performance0引言木结构是我国上千年历史中极其重要的结构形式之一，具有深厚的历史文化底蕴。木梁作为木结构中主要受力构件之一，在地震、台风等外力作用和温度、湿度等环境因素下，其受力性能受到一定的影响，进而影响结构的整体稳定性，因此需要对木梁进行加固维修。传统的木梁加固方法主要有铁件加固、支顶加固、加钉加固等，这些加固方法对木结构原貌有较大的影响。由于FRP具有轻质高强、耐久性好等特点，加固时易于操作且可以较少改变结构外观，故在木梁加固领域被广泛研究与应用。目前，国内学者对FRP加固木梁抗弯性能研究进行不断探索，并取得了一定的研究成果。文中按加固材料类型对FRP加固木梁抗弯性能研究进行分类，总结归纳出FRP加固木梁抗弯性能研究进展及存在的不足，并在此基础上对进一步研究提出建议。1FRP布加固木梁抗弯性能研究1.1FRP布加固完好木梁研究目前，常用的纤维增强复合材料主要有 CFRP、GFRP以及BFRP。在加固木梁方面，所用材料多以碳纤维增强复合材料（CFRP）为主，故对CFRP布加固木梁抗弯性能的研究较多，而对GFRP布加固木梁抗弯性能的研究较少。由于目前市场上CFRP布价格是BFRP布的57倍，BFRP布加固木梁的性价比较高，故BFRP布受到了越来越多学者的关注。谢启芳等1对8根矩形木梁进行抗弯性能试验，研究CFRP布加固木梁时，梁底CFRP布的用量、纯弯段CFRP布环箍的数量以及剪跨比对木梁抗弯性能的影响，加载方式如图1所示。研究发现在木梁受拉区粘贴双层CFRP布与单层相比，粘贴双层CFRP布对木梁承载能力的提高效果更明显。粘贴CFRP布环箍对木梁承载力提高有一定效果，但由于试验试件过少，故对环箍加固木梁的加固作用需进一步进行试验研究。图1FRP布加固木梁加载方式（单位：mm）P分配梁100150FRP布2200木梁34杨会峰等2对不同FRP配筋率的木梁进行三分点加载试验，探讨分析FRP用量偏少、适中、偏大时构件的破坏形态与破坏机理，试验发现，FRP用量偏少时，破坏首先发生在受拉区，FRP加固效果不明显；FRP用量适中时，受拉区木材拉坏和受压区木材压屈共同引起木梁破坏，FRP加固效果明显；FRP用量偏大时，受压区木梁压屈首先引起木梁破坏，受拉区木梁不会破坏。根据FRP用量所导致的破坏现象将加固木梁分为少筋梁、适筋梁、超筋梁，进行受弯承载力计算。计算结果与试验结果进行对比分析，结果表明FRP可以延缓木梁产生受拉脆性破坏，提出 FRP 配筋范围为0.050.12 时，FRP 的加固作用可以得到充分利用。许俊杰3通过木梁抗弯试验研究CFRP加固木梁的破坏形式，发现木梁承载力随CFRP布层数的增加而增强，侧向加固也可较好的提高木梁抗弯承载力。基于已有木梁承载力的计算方法，结合试验结果，提出加固木梁承载力计算公式，公式对于底部加固CFRP木梁计算结果较准确，而对于侧面加固木梁的计算结果有一定误差。淳庆等4通过6根木梁的抗弯试验，研究弹性模量、CFRP布层数与抗弯承载力之间的关系。研究发现当CFRP布弹性模量在木梁弹性模量30倍以内时，CFRP布弹性模量的增加可使松木梁极限抗弯承载力明显提高，超过这一限值，提高速度减慢。根据试验数据分析和有限元模拟分析，推算得到02层CFRP布加固松木梁时抗弯承载力公式，根据公式，预测多层CDRP布加固松木梁的抗弯承载力公式，认为在木梁完好情况下，粘贴3层或4层CFRP布进行加固最为合理。李飞5为研究BFRP布对完好木梁的加固效果，分别对完好木梁以及BFRP布加固后的完好木梁进行抗弯试验，通过试验数据与试验现象对BFRP布的加固效果进行分析，研究表明BFRP布可有效提高完好木梁的承载力、刚度以及延性。潘毅等6在抗弯性能试验的基础上采用3种加固方式对BFRP加固的圆截面木梁进行有限元分析，研究发现随着纤维包裹率的增加木梁受弯承载力有所提高，研究的3种加固方式中底部与侧面环向粘贴BFRP布和底部与侧面螺旋缠绕BFRP布的加固效果较好。王全凤等7通过对矩形截面木梁进行静力试验，表明在木梁受拉区粘贴BFRP布可以有效提高木梁的抗弯性能，且随着BFRP布层数的增加，木梁承载力有明显提高，并提出使用BFRP布加固木梁的性价比高于CFRP布加固木梁。徐瑞等8为研究粘贴部位对BFRP布加固木梁抗弯性能的影响，在木梁底部不同部位粘贴BFRP布进行抗弯试验。结果表明木梁底部BFRP布粘贴位置不同，其承载力提高程度也有所不同，木梁承载力随BFRP布在木梁底部纯弯段两边粘贴长度的增加而提高，木梁加固效果最好的加固方式为梁底贴满BFRP布，承载力提高约一半。王全凤等9为研究 GFRP 布加固木梁的抗弯性能，对多根不同加固方式下的完好木梁进行了受弯静力试验，结果表明在木梁受拉面粘贴GFRP布是一种提高木梁承载力、刚度及延性的有效加固方式。双层粘贴GFRP布的加固效果明显大于单层粘贴GFRP布的加固效果，加固木梁承载力与未加固木梁承载力相比提高45%。张莉10通过改变梁底部FRP布的层数以及初始荷载的大小对木梁进行抗弯试验，研究不同加固方式下FRP布对矩形木梁抗弯承载力的影响，结果表明木梁加固后，不仅提高了承载力也改善了木梁的变形性能。张大照11对圆形木梁进行CFRP布加固，通过抗弯试验表明，圆形木梁通过CFRP布加固后，木梁受弯承载力提高明显，刚度和延性也得到提高。Antonio等12进行了一系列FRP加固木梁抗弯性能试验，探究CFRP位置对于木梁抗弯性能的影响。结果表明粘贴CFRP于木梁底进行加固可提高极限荷载达40%60%，侧面粘贴CFRP对梁受弯承载力的影响不大。以上学者对FRP布加固完好木梁抗弯性能的研究大都通过对木梁进行三分点加载完成试验，并通过有限元软件建立实体模型模拟加载试验，通过多次模拟得到相关数据，推导得到FRP加固木梁抗弯承载力的计算公式。通过试验结果与计算结果对比分析，均发现CFRP布、GFRP布、BFRP布对完好木梁的极限承载力、抗弯强度、刚度都有较大的提高，且对其延性也有较好的改善。双层粘贴FRP布加固效果大于单层粘贴FRP布，底部贴满FRP布加固效果大于底部部分粘贴FRP布。1.2FRP布加固损伤木梁研究木材由于具有各向异性的特点，其顺纹抗剪和横纹抗拉强度低，在长期荷载作用下，容易出现开裂现象。随着使用年限的增加，木梁自身也会出现损伤老化现象，使其承载力降低，影响结构整体稳定性，故学者对FRP加固损伤木梁的研究大都集中于带裂缝木梁以及老化损伤木梁。董雪婷13将FRP布粘贴于具有贯穿裂缝矩形木梁的四周，根据木梁特点及加固方式建立了木梁受弯35低温建筑技术-结构工程Jun.2023 No.300变形的控制方程，并对均布荷载作用下和两集中力作用下的弯曲响应进行分析。研究表明在均布荷载或集中力作用下，带裂缝木梁在CFRP布加固情况下其跨中挠度随CFRP布厚度的增加而减少，且厚度增加到一定数值后，挠度不再变化。欧阳煜等14在假定FRP布与梁表面紧密粘贴的条件下，建立了FRP布加固带裂纹木梁线性弯曲的控制方程，研究CFRP布的含量、裂纹深度、位置以及数量等因素对CFRP加固木梁临界荷载的影响，结果表明带裂纹木梁的临界荷载随CFRP布含量的增加而增加，且CFRP布含量增加到一定数值后，CFRP含量的增加对带裂纹木梁临界荷载的提高效果不明显。杨骁等15针对具有纵向贯穿裂缝的矩形截面木梁采用侧贴FRP布的方式对进行加固，建立侧贴FRP布加固带裂缝木梁弯曲变形的控制方程，分析不同FRP 布以不同角度粘贴时对木梁抗弯承载力的影响。研究表明FRP布的加固效果与FRP布的纤维方向有关，当FRP布纤维方向与木梁轴线方向重合时，CFRP布加固效果比GFRP布加固效果明显，当其纤维方向与木梁轴线方向垂直时，加固效果几乎相同，当其夹角较小时，FRP布的加固效果最好。因此为达到最佳加固效果，不同材料的纤维增强复合材料对木梁进行加固时，采用的粘贴角度不同。宋彧等16首先对完好圆截面木梁进行静载破坏试验，得到受损木梁，研究各木梁的受损状态，采用BFRP布以不同方式进行加固，再次进行静载试验，将加固前后的受力性能进行对比分析，研究发现粘贴BFRP布可恢复受损木梁的延性及承载能力，加固的关键部位是木梁受损的核心区，在纵向不粘贴BFRP布的情况下仅环向粘贴BFRP布基本没有加固效果。祝金标等17通过在木梁受拉侧挖去一定尺寸的木材来模拟木梁糟朽情况，并在受损木梁底部粘贴CFRP布，研究表明外贴CFRP布加固受损木梁可以有效恢复其截面承载力，同时可以提高刚度，改善延性。贾彬等18在8根老化损伤木梁底部粘贴CFRP布进行加固，并采用液压千斤顶进行两点加载，研究表明底部粘贴CFRP布的老化损伤木梁，刚度和极限承载力都有明显提高，且破坏模式由脆性破坏转变为延性破坏。以上学者通过对加固带裂缝木梁以及老化损伤木梁的研究发现，粘贴FRP布可有效恢复木梁极限承载力，同时可以提高木梁刚度改善木梁延性，破坏模式由脆性受拉破坏转变为延性受压破坏。随着FRP布厚度的增加，损伤木梁抗弯性能有明显的提高，但厚度增加到一定数值后，继续增加FRP布厚度，木梁抗弯性能不再随之增强。2FRP筋/片加固木梁抗弯性能研究对木梁进行FRP筋/片加固一般加固位置为木梁的受拉面，通常在木梁受拉面进行开槽，并对槽内进行清洁处理，根据需要预埋一定数量FRP筋/片，用环氧树脂进行填充，保证内嵌FRP筋/片与木梁共同协同受力，充分发挥FRP筋/片的加固作用。Micelli等19为研究CFRP筋加固位置及加固长度对木梁的影响，分别进行3根胶合木梁跨中连接的试验。研究表明在保证CFRP筋锚固长度的前提下其受弯承载力基本可恢复。Carradi等20利用GFRP型材加固木梁，试验结果表明，加固后木梁抗弯刚度提高较大，抗弯承载力提高明显，受拉边缘木节等缺陷对木梁影响较大，最终导致木梁破坏。De Lorenzis等21进行了预埋FRP筋加固矩形木梁的试验研究，结果表明加固木梁破坏模式由脆性受拉破坏为延性受压破坏，加固木梁的受弯承载力、刚度和延性均得到明显提高。许清风等22对损伤木梁进行内嵌CFRP筋/片加固处理，通过木梁抗弯试验发现内嵌CFRP筋/片可显著提高木梁抗弯承载力，在木梁达到极限承载力后仍可承受较大的荷载，荷载-跨中位移曲线呈现多峰值特征，具有较好延性。许清风等23针对多根损伤旧木梁进行内嵌CFRP筋加固处理并进行加载试验，研究表明损伤木梁在受拉面内嵌CFRP筋，其极限承载力有所提高，但不明显；在受拉区内嵌CFRP筋、粘贴CFRP布且设置U型箍，极限承载力提高显著，且跨中挠度也有明显增加，故只考虑加固效果的情况下，内嵌 CFRP 筋、粘贴CFRP 布且设置 U 型箍的加固方式优于仅内嵌CFRP筋。淳庆等24，25为研究CFRP筋和CFRP板加固对不同材质矩形木梁受弯性能的影响，分别对松木木梁和杉木木梁采用内嵌CFRP筋和内嵌CFRP板的加固方式进行加固，加固方式见图2，并完成抗弯性能试验。结果表明采用两种加固方式对木梁进行加固时，不同木材加固效果不同。对于松木木梁，内嵌CFRP筋加固后其抗弯承载力提高9.1%16.9%，嵌入CFRP板加固后其抗弯承载力提高9.1%35.1%；对于杉木木梁，内嵌CFRP筋加固后其抗弯承载力提高5.7%21.6%，嵌入CFRP板加固后其抗弯承载力提高19.8%39.4%。图2FRP筋/板加固木梁木梁LFRP板BH36因此，虽然不同木材抗弯承载力提高程度不同，但松木木梁和杉木木梁都更适合嵌入CFRP板加固的加固方式。以上学者通过试验对FRP筋/片加固木梁抗弯性能进行研究，研究发现内嵌CFRP筋/片对木梁受弯承载力有所提高，在受拉区内嵌 CFRP 筋的同时粘贴CFRP布并设置U型箍加固效果更明显。相同木材，嵌入CFRP板的加固效果比内嵌CFRP筋的加固效果明显；相同加固方法，杉木木梁加固效果比松木木梁加固效果明显。3研究存在的不足及建议3.1研究不足国内学者已对FRP加固木梁进行了积极研究与探索，并取得了一定的研究成果，且对实际工程起到了一定指导作用。但FRP加固木梁研究仍存在欠缺，具体包括以下几个方面：（1）由于在木梁受压区进行FRP加固时，加固材料受到界面正应力和剪应力的作用，会与梁产生剥离现象，不能起到良好的加固作用，故目前国内学者对木梁进行加固大都选择在木梁受拉区粘贴FRP，而对受压区粘贴FRP的研究较少，对受压区粘贴FRP布进行加固的粘贴方法及加固效果研究仍然不充分。（2）在FRP加固受损木梁的抗弯性能试验中，对加固带裂缝木梁受弯性能的研究主要集中于直裂缝和自然开裂裂缝，而对于带斜裂缝木梁的研究较少。（3）在木结构中，木梁大都已经有一定的使用年限，但学者进行试验所用木梁大都为较新木材，在刚度、延性、承载力方面存在一定误差，故所得研究结论在实际应用过程中不能提供较为准确的依据。3.2研究建议（1）根据木梁受弯破坏现象，应对在木梁受压区粘贴FRP布加固进行研究，分析其加固效果，与受拉区粘贴FRP布以及环向缠绕FRP布相结合，进一步分析最优加固形式。（2）对现有木结构建筑进行调研，总结木梁出现斜裂缝的位置、角度及长度，对FRP加固斜裂缝木梁的抗弯性能进行研究分析。4结语通过以上研究可以看出，国内外学者对FRP加固木梁进行了大量研究，并取得了一定的成果。对于完好木梁，不同的FRP加固方式在不同程度上均可有效提高木梁的抗弯承载力。对于损伤木梁，不同的FRP加固方式可在不同程度上有效恢复木梁的抗弯承载力。对于不同的FRP加固方式，虽然都可有效的提高木梁的抗弯承载力，但都存在一定的局限性，无法实现古建筑“修旧如旧”的原则。随着研究的不断深入，古建筑木结构中木梁的加固方式将更加合理化、规范化，从而实现古建筑木结构更科学、有效的保护。参考文献1 谢启芳，赵鸿铁，薛建阳，等.碳纤维布加固木梁抗弯性能的试验研究 J.工业建筑，2007（7）：104-107.2 杨会峰，刘伟庆，邵劲松，等.FRP加固木梁的受弯性能研究J.建筑材料学报，2008（5）：591-597.3 许俊杰.CFRP加固木梁抗弯承载力试验及模拟研究 D.兰州：兰州交通大学，2021.4 淳庆，张承文，贾肖虎，等.碳纤维布加固松木梁受弯试验 J.建筑科学与工程学报，2020，37（2）：71-80.5 李飞.FRP加固木梁抗弯性能的试验研究 D.泉州：华侨大学，2009.6 潘毅，安仁兵，张春涛，等.BFRP布加固圆截面木梁受弯性能试验研究 J.建筑结构学报，2019，40（10）：197-206.7 王全凤，李飞，陈浩军，等.玄武岩纤维布加固木梁抗弯性能的试验研究与有限元分析 J.工业建筑，2010，40（4）：126-130.8 徐瑞，刘清，韩霞，等.粘贴部位对玄武岩纤维加固新疆杨木梁抗弯性能影响的试验研究J.工业建筑，2016，46（4）：159-162.9 王全凤，李飞，陈浩军，等.GFRP加固木梁抗弯性能的试验研究与理论分析 J.建筑结构，2010，40（5）：50-52.10张莉.碳纤维布加固木梁的受力性能研究 D.南京：南京林业大学，2011.11张大照.CFRP布加固修复木柱梁性能研究 D.上海：同济大学，2003.12 ANTONIO BORRI,MARCO CORRADI,ANDREA CRAZINI.Amethod for flexural reinforcement of old wood beams with CFRPmaterials J.Composites part B,2005，36(2):143-153.13董雪婷.FRP加固带裂缝木梁弯曲性能研究 D.上海：上海大学，2013.14欧阳煜，王嘉明，杨骁.纤维增强聚合物布加固裂纹木梁的稳定性 J.力学季刊，2019，40（2）：315-326.15杨骁，姜莹莹.纤维增强聚合物加固带裂缝矩形截面木梁的弯曲 J.应用力学学报，2012，29（5）：516-522.16宋彧，陈万伟.玄武岩纤维布加固受损圆截面木梁抗弯性能试验研究 J.建筑结构，2016，46（15）：114-118.17祝金标，王柏生，王建波.碳纤维布加固破损木梁的试验研究J.工业建筑，2005（10）：86-89.18贾彬，刘睿，蒙奈庆，等.碳纤维布加固损伤旧木梁受弯承载力研究 J.工程抗震与加固改造，2013，35（3）：108-112.19 MICELLI F,SCIALPI V,TEGOLA A.Flexural reinforcement ofglulam timber beams and joints with carbon fiber-reinforcedpolymer rods J.Journal of composites for construction,2005,9（下转第43页）373结语文中以4幢36层典型无筋砌体结构为例，运用EE-IDA及OAT-IDA分析计算方法分别得到阻尼比对结构地震易损性的各敏感性值，考察阻尼比对无筋砌体结构地震易损性的影响并进行比较分析，得到结论如下：（1）无筋砌体结构不确定参数中阻尼比对地震易损性的敏感性值远远大于其他结构参数，阻尼比为结构参数中的控制参量，且阻尼比越大，地震易损性曲线中位值mR越大，结构抗震广义能力越强。（2）研究发现无筋砌体结构中其他结构参数对地震易损性关于阻尼比的敏感性值影响不大，即结构参数相关性在计算时可以不予考虑。（3）当结构参数间相关性不大时，可通过合理取样使用原理更简单的局部敏感性分析方法替代计算更复杂的全局敏感性分析方法以提高计算效率。参考文献1 PARISI F,AUGENTI N.Uncertainty in seismic capacity of masonry buildings J.Buildings,2012,2（3）:218-230.2 LU X,TIAN Y,GUAN H,et al.Parametric sensitivity study onregional seismic damage prediction of reinforced masonry buildings based on time-history analysisJ.Bulletin of earthquakeengineering,2017,15:4791-4820.3 蒋亦庞，苏亮，黄鑫.考虑参数不确定性的无筋砌体结构地震易损性分析 J.工程力学，2020，37（1）:159-167.4MUKHERJEE D,RAO B N,PRASAD A M.Global sensitivityanalysis of unreinforced masonry structure using high dimensional model representationJ.Engineering structures,2011,33（4）:1316-1325.5CAMPOLONGO F,CARIBONI J,SALTELLI A.An effectivescreening design for sensitivity analysis of large models J.Environmental modelling&software,2007,22（10）:1509-1518.6WAINWRIGHT H M,FINSTERLE S,JUNG Y,et al.Makingsense of global sensitivity analyses J.Computers&geosciences,2014,65:84-94.7SALTELLI A,RATTO M,ANDRES T,et al.Global sensitivityanalysis:The primer M.John wiley&sons,2008:109-154.8 CAMPOLONGO F,SALTELLI A.Sensitivity analysis of an environmental model:an application of different analysis methodsJ.Reliability engineering&system safety,1997,57（1）:49-69.9 VAMVATSIKOS D,CORNELL C A.Incremental dynamic analysis J.Earthquake engineering&structural dynamics,2002,31（3）:491-514.10于晓辉.钢筋混凝土框架结构的概率地震易损性与风险分析D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.11 CALVI G M.A displacement-based approach for vulnerabilityevaluation of classes of buildings J.Journal of earthquake engineering,1999,3（3）:411-438.12蒋亦庞，苏亮，李喜龙.无筋砌体结构等效框架模型的有效性验证研究 J.低温建筑技术，2019，（41）5：84-87.13 DOLCE M.Schematizzazione e modellazione degli edifici in muratura soggetti ad azioni sismiche J.Industria delle costruzioni,1991,25（242）:44-57.14中华人民共和国住房和城乡建设部.砌体结构设计规范：GB500032011 S.北京：中国建筑工业出版社，2011.收稿日期2023-5-16作者简介李怡熹（1997），女，四川巴中人，硕士研究生，研究方向：土木工程防灾。(4):337347.20 CARRADI M,BORRI A.Fir and chestnut wood beams reinforced with GFRP pultruded elements J.Composite part B:engineering,2007,38(2):172-181.21 DE LORENZIS L,SCIALPI V,LA TEGOLA A.Analytical andexperimental study on bonded-in CFRP bars in glulam wood J.Composite part B:engineering,2005,36(4):279-289.22许清风，朱雷，陈建飞，等.内嵌CFRP筋/片加固木梁受弯性能试验研究 J.建筑结构学报，2012，33（8）：149-156.23许清风，朱雷.内嵌CFRP筋维修加固老化损伤旧木梁的试验研究 J.土木工程学报，2009，42（3）：23-28.24 淳庆，张洋，潘建伍.内嵌碳纤维筋加固木梁抗弯性能试验J.解放军理工大学学报（自然科学版），2013，14（2）：190-194.25淳庆，张洋，潘建伍.嵌入式碳纤维板加固木梁抗弯性能的试验研究J.东南大学学报（自然科学版），2012，42（6）：1146-1150.收稿日期2023-1-17作者简介郑少媛（1998），女，山东烟台人，硕士研究生，研究方向：结构工程。（上接第37页）43