碳纤维及钢条加固拼接木构件抗弯性能的试验研究.pdf

为研究碳纤维及钢条加固墩接木柱的可行性，通过受力分析和等效应力模型等理论计算结果制作了3 组不同试件，经对试件的抗弯试验，研究碳纤维布和钢条加固墩接木柱的破坏形式以及抗弯性能的差异，并对试验结果进行比对分析，得出2 种木结构加固方式从理论到实际应用基本可行，总结的经验可供借鉴。关键词：等效应力模型；抗弯试验；碳纤维布；钢条；木柱墩接中图分类号：TU755文献标志码：A文章编号：1 0 0 4-1 0 0 1(2 0 2 3)0 8-1 6 9 9-0 4DOl:10.14144/ki.jzsg.2023.08.057Experimental Study on BendingResistanceof JointedWoodMembersReinforcedwithCarbonFiberandSteelBarsYE ChengShanghai Landscape Architecture Construction Co.,Ltd.,Shanghai 200083,ChinaAbstract:To study the feasibility of strengthening pier connected wooden columns with carbon fiber and steel bars,three different sets of specimens are made based on theoretical calculations such as stress analysis and equivalentstress models,and bending tests are performed on the specimens to study the failure forms and diferences in bendingperformance of pier connected wooden columns strengthened with carbon fiber cloth and steel bars.The comparativeanalysis of the experimental results shows that the two types of wood structure reinforcement methods are basicallyfeasible from theory to practical application.The summarized experience can be used for reference.Keywords:equivalent stress model;bending test;carbon fiber cloth;steel bar;wooden column pier connection近年来，随着我国城市化进程的加快，新旧城区的改造建设也相应提速，公众对古建筑的保护意识随之逐步加强，如何对损毁古建筑的历史风貌进行还原成为了一个重要议题。柱脚、柱头腐烂、虫蛀等问题是木结构损毁的主要类型，整体替换木柱不符合历史建筑“修旧如旧”的保护原则。按照古建筑木结构维护与加固技术规范中的传统做法，在古建筑的修设计和施工中，通常对柱子采用巴掌样或抄手样等墩接，外套钢箍进行加固。这种做法大大降低了木材自身的抗弯强度，此问题在体量较大的结构中尤其突出。本文旨在研究一种简便、易操作、成本低，在大幅度提高新旧木柱墩接处抗弯性能的同时，最大程度地保留木柱原状外观的连接方法，从而大幅提高木结构的安全度，达到修旧如旧的修效果 2-3 。试件制作根据本文研究的木柱墩接加固方式，制作木柱墩接处作者简介：叶诚（1 9 9 0 一），男，本科，工程师通信地址：上海市虹口区广中路6 6 8 号（2 0 0 0 8 3）。电子邮箱：7 8 6 9 1 3 0 3 9 收稿日期：2 0 2 3-0 6-1 2粘贴碳纤维布与内嵌钢条加固2 种试件，要求加固试件的受弯承载力基本和完整原木一致，试件制作的计算依据与最终成品如下，各材料细则见表1。表1 各材料细则参数/名称规格(N/mm)参数定义备注150 mm 150 mm x木柱J=11木材抗弯强度设计值杉木3 000 mm碳纤维0.167 mm 150 mmJ=3 800纤维布抗拉强度标准值品牌SKO碳纤维F=10胶水抗剪强度标准值品牌SKO胶水钢条50 mm x 6 mm x1 100 mmJ,=360钢材抗拉强度设计值Q345钢条F,=10胶水抗剪强度标准值品牌SKO胶水1.1碳纤维布墩接加固本方法用于木柱墩接中新旧木柱之间的连接，新旧木柱之间采用巴掌样墩接后，碳纤维布混合胶水贴于木材表面，并用碳纤维布抱箍布置于墩接部位并拉牢，防止碳纤维布受拉错位。对试件整体分析见图1，对试件左侧进行分析见图2。试件破坏时，为了简化计算，取受压区合力点为其截170020238BuildingConstruction叶诚：碳纤维及钢条加固拼接木构件抗弯性能的试验研究P/2P/2碳纤维环箍碳纤维布图1试件整体分析P/2N一1.200Pi2图2试件受力分析面的形心点。等效应力图形见图3。图3等效应力图形以下为试件的2 种破坏形式：1）纤维布被拉断。取截面上所有作用力对受压区合力点O的力矩为零。2）胶水剪切破坏。胶水剪切破坏是指纤维布与试件表面剥离。试件的承载力主要由纤维布的抗拉控制，但当纤维布底带自身抗拉到达一定值时，加固试件破坏发生于纤维布与试件间的滑移，此时由胶水的黏结性能控制试件的承载力。考虑试件制作的便捷度，取纤维布宽度b,=150，厚度t=0.167，底带层数n=3。根据上述受力分析可得试件受弯承载力与原木受弯承载力计算值基本一致。试件制作如图4 所示。300095010Q300300300.10Q9501100150mm150mmt3000mm杉木2层纤维布抱箍3层纤维布宽5 0宽1 5 0图4碳纤维布墩接加固试件1.2钢条墩接加固本方法用于木柱墩接中新旧木柱之间的连接，新旧木柱之间采用巴掌样墩接后，钢条混合胶水垂直于木柱表面嵌入开好的木缝中，表面缝隙用原木的木屑混合木胶遮盖抹平，并用钢箍布置于墩接部位并拉牢，防止钢条挤出。对试件整体分析见图5，对试件左侧进行分析见图6。试件破坏时，为了简化计算，取受压区合力点为其截面的形心O点。等效应力图形见图7。P/2P/2钢板抱箍钢条图5试件整体分析P/2N1200PI2图6试件受力分析图7等效应力图形以下为试件的2 种破坏形式：1）钢条被拉断。取截面上所有作用力对受压区合力点O的力矩为零。2）胶水剪切破坏。胶水剪切是破坏指钢条与试件剥离。试件的承载力主要由钢条的抗拉控制，但当钢条自身抗拉到达一定值时，加固试件破坏发生于钢条与试件间的滑移，此时由胶水的黏结性能控制试件的承载力。考虑试件制作的便捷度，取钢条高度h=50，厚度t=8，根数n=3。根据上述受力分析可得试件受弯承载力与原木受弯承载力计算值基本一致。试件制作图如图8 所示。300095010Q30030030010Q9501100150mm150mmx3000mm杉木钢板抱箍3根钢条厚6 宽5 0 Q345，5 0 m m 6 m m钢条300095010Q3003003001009501100150mm150mm3.000mm杉木钢板抱箍厚6 宽5 03根钢条Q345,50mm6mm钢条图8钢条墩接加固试件2试验方案准备3 组试件，分别为A组5 根完好木柱，B组5 根碳纤维布加固墩接木柱，C组5 根钢条加固墩接木柱。在万能试验机上对木柱试件进行四点受弯试验，两端铰接。加载方式为位移控制加载，加载速率为4 mm/min，加载至试件破坏。测量内容主要有木柱跨中位移、跨中截面的顺纹方向应变。试验中所有电阻应变片、位移计的测建筑施工第4 5 卷第8 期1701叶诚：石碳纤维及钢条加固拼接木构件抗弯性能的试验研究量值均通过实验室标定过的数据采集仪DH3826记录输出，试验加载装置如图9 所示 5 万能试验机分配三应变片口位移计150L1050600105011501图9加载装置位移计的布置如图9 所示，在木柱跨中布置1 个竖直放置的位移计，用于测量木柱跨中的位移。木柱跨中截面应变片布置如图1 0 所示，完好木柱A组试件沿着截面高度等间距布置顺纹方向的应变片5 个，编号从上到下为1 5，B组与C组墩接木柱试件沿着截面高度布置顺纹方向的应变片6 个，编号从上到下为1 6，在墩接拼缝处上下各设置1 个应变片。应变片栅长5 0 mm，电阻为（1 2 0 土1）Q。在粘贴应变片之前将木材表面清理干净并利用砂纸进行打磨，并在贴好的应变片表面涂上一层AB胶来保护应变片墩接拼缝（a）完好木柱（b）墩接加固木柱图1 0木柱跨中截面应变片布置示意3试验结果分析3.1破坏形态与破坏机理1）A 组：完好木柱。本组试件为完好杉木木柱，试件在加载初期处于线弹性阶段，随着荷载增加，木柱跨中竖向位移与跨中截面的顺纹应变基本呈线性增加。当荷载增加至极限荷载的6 0%8 0%时，试件的木材开裂声开始愈发密集、清晰，但木柱表面未能观察到明显裂纹。当控制荷载达到极限荷载时，伴随一声突然的巨响，木柱跨中下部区域木材被拉断，发生脆性破坏，丧失承载力，破坏部位多出现在木结、斜纹等缺陷处（图1 1）。图1 1 A组试件破坏现象2）B组：碳纤维布加固墩接木柱。本组试件为碳纤维布加固墩接木柱，试件在加载初期处于线弹性阶段，随着荷载增加，木柱跨中竖向位移与跨中截面的顺纹应变基本呈线性增加，但紧靠墩接拼缝上方的应变片由压应变逐渐转为拉应变。随着荷载增大，偶尔可听见清晰的木材错动声，当荷载增加至极限荷载的6 0%8 0%时，出现较为密集、清晰的木材开裂声，但木柱表面未能观察到明显裂纹。当控制荷载达到极限荷载时，伴随一声突然的巨响，墩接拼缝区域下部的木材发生受拉劈裂破坏，裂缝由墩接拼缝处扩展到纯弯段以外，木柱发生脆性破坏，丧失承载力，破坏部位集中在碳纤维环箍附近，碳纤维布未发生破坏（图1 2）。图1 2B组试件破坏现象3）C组：钢条加固墩接木柱。本组试件为钢条加固墩接木柱，试件在加载初期处于线弹性阶段，随着荷载增加，木柱跨中竖向位移与跨中截面的顺纹应变基本呈线性增加，紧靠拼缝上方的应变片由压应变逐渐转为拉应变。随着荷载增大，偶尔可听见木材开裂声，当荷载增加至极限荷载的6 0%8 0%时，木材开裂声愈发清晰、密集，但木柱表面未能观察到明显裂纹。当控制荷载达到极限荷载时，伴随一声突然的巨响，木柱下部与钢条两端交接区域的木材发生劈裂破坏，同时钢条两侧的结构胶发生破坏，钢条端部与木材部分分离，木柱发生脆性破坏，丧失承载力，破坏部位集中在钢条端部与木材交接区域，钢材未发生破坏（图1 3）。图1 3C组试件破坏现象3.2主要试验结果1）荷载-跨中位移。根据各组木柱试件的荷载-跨中位移关系，在未达到极限荷载前，木柱自始至终表现为线弹性，跨中位移随荷载的增大而增大，荷载-跨中位移曲线近似于直线，木柱前后均为脆性破坏。2 组墩接加固后的木柱的极限荷载和挠度都有所降低。墩接前后木柱抗弯刚度无明显变化。170220238BuildingConstruction诚：碳纤维及钢条加固拼接木构件抗弯性能的试验研究2）跨中截面荷载-应变。根据木柱的跨中截面荷载-顺纹应变关系，各组试件跨中截面的顺纹应变随着荷载的增加而基本呈现近似线性增加，但墩接木柱试件中紧靠墩接拼缝上方的应变片随着荷载的增加，由压应变逐渐转为拉应变，而拼缝下方的应变片仍为压应变，说明荷载达到一定程度后，2 段木柱不再作为一个整体承受弯矩，墩接木柱试件在破坏时，木材顺纹方向的极限拉应变和极限压应变降低1 0%3 0%。3）跨中截面应变。根据各组木柱试件跨中截面顺纹应变在不同荷载等级下的分布规律，完好木柱受弯时跨中截面顺纹应变基本呈现线性变化，截面应变分布基本符合平截面假定。墩接木柱试件受弯时，当荷载达到一定程度时，墩接区域拼缝上方的木材由压应力转变为拉应力，而拼缝下方的木材仍承受压应力，说明墩接的2 段木柱不再作为一个整体承受弯矩。通过对比分析3 组木柱试件跨中截面顺纹方向的拉应变与压应变的最大值的平均值，碳纤维布与钢条加固墩接木柱试件相较于完好木柱极限拉应变平均值分别降低了1 0.5%、2 8.6%。极限压应变平均值分别降低了5.1%、9.0%3.3试验分析本文试验中同组别试件的破坏模式大体相似，完好木柱纯弯段发生受拉脆性破坏，碳纤维布加固试件的墩接区域的木材发生受拉破坏，钢条加固试件的钢条两端区域的木材发生受拉破坏，钢条发生脱胶。3 组试件的破坏模式均为弹脆性破坏，通过对试验结果中试件的荷载、挠度的对比分析，碳纤维布与钢条加固的墩接木柱极限抗弯承载力分别可以达到完好木柱的7 2.4%、8 0.9%；木柱抗弯刚度在墩接前后无明显变化。4结语试验结果表明，碳纤维和钢条加固墩接木柱的抗弯承载力和抗弯刚度可以达到原木的8 0%左右，与计算结果基本相符，具备工程实践的理论基础6-1 2 。2种加固方式的优缺点和应用前景如下：1）碳纤维加固墩接木柱。其优点在于碳纤维材料与原木的协同变形结合较好，可以充分发挥加固材料的性能，使木材和碳纤维尽可能同步到达破坏极限，且对木材长期的开裂、变形等适应性较好，在力学性能上可以较好地适配木结构的加固；而缺点在于整面的碳纤维对于外部有涂层饰面的木构件可以进行隐藏，而对于清水饰面的木构件外观影响较大，需要根据项目的装饰需求进行选用。目前此加固方法在南昌万寿宫历史文化街区的古建修项目中已有相关应用，值得进行推广。2）钢条加固墩接木柱。其优点在于钢条可以隐藏在木材缝隙中，封口处可用木粉掺胶进行封堵，外观上仅有几道钢箍，尽可能保留了木材的原状；而缺点在于因木材与钢条材料的弹性模量差异较大，并且胶水的剪切强度不足，造成加固点的应力集中于钢条端部的木材处，使得该薄弱区域产生了木材的受拉破坏。同时本方法目前还未见实践案例，钢条和胶水对于木材长期变形的适应性还有待进一步试验论证。针对以上问题，后续在该加固方式的项目实践中，可考虑对钢条端部的木材进行钢齿板或自攻螺钉增强，并且使用性能更为优异的粘接胶水及加长锚固长度来应对木材与钢板的剥离，从而更大程度地保证钢条加固墩接木柱的抗弯性能。3）应用前景。本文根据实际项目需要进行了木柱墩接加固的针对性试验研究，是一次有益的尝试，对于其他部位的木结构加固也有一定的参考意义。如木梁、木板、木架等，均可以根据构件的外观、耐久性、成本等需求进行2 种加固方式的选用：对于清水饰面外观有要求的部位，可采用钢条加固；对于涂层饰面、隐蔽木构件或对耐久性要求较高的部位，可采用碳纤维加固。相信2 种加固方式在后续不断的改良中可以取得更加广泛的应用。参考文献1欧善清，顾仁杰.南昌万寿宫合同巷古建筑木柱墩接整体抬高技术实践 J.建筑技艺,2 0 1 9(9):3 5-4 2.2】中华人民共和国住房和城乡建设部.木结构设计标准:GB50005一2017S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 1 7.3廖辉，叶诚，盛鸿年，等.一种古建筑木柱墩接加固修缮结构：2018209342525P.2018-06-15.4】许清风.巴掌和抄手样维修圆木柱的试验研究 J.建筑结构,2012,42(2):170-172.5马建勋,蒋湘闽,胡平,等.碳纤维布加固木梁抗弯性能的试验研究.工业建筑,2 0 0 5(8):3 5-3 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