沙 洲，朱曉冬

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150040)

木材作為天然建筑材料，已為人所沿用數(shù)千年。時(shí)至今日，在我國乃至世界范圍仍有許多木質(zhì)建筑屹立依舊，成為蘊(yùn)含文化歷史價(jià)值的珍貴物質(zhì)文化遺產(chǎn)。不同地區(qū)形制多樣的木結(jié)構(gòu)建筑根植于各自文化背景，功能性因地制宜，散發(fā)著獨(dú)特的魅力。建筑材料領(lǐng)域中，木材的環(huán)境友好與可再生特性，在近來倡導(dǎo)資源可持續(xù)利用的背景下重新引起了人們的高度重視。木結(jié)構(gòu)輕巧而易于建造，但木材因其天然生物材料的固有特性，在用作結(jié)構(gòu)主體時(shí)亦存在著不可避免的問題，如易受蟲害及侵蝕，異向強(qiáng)度不同，等等。另外，材料天然缺陷以及建筑物荷載的改變都導(dǎo)致木結(jié)構(gòu)需要經(jīng)常維護(hù)以對原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行修整和增強(qiáng)［1－2］。目前，如何對木結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng)與加固保護(hù)，提高其性能與耐久度已成為近年來相關(guān)研究的熱點(diǎn)問題。

FRP(Fiber Reinforced Plastic)是纖維復(fù)合增強(qiáng)樹脂的統(tǒng)稱，屬于復(fù)合材料范疇。其結(jié)合了纖維增強(qiáng)材料和樹脂粘結(jié)劑的優(yōu)點(diǎn)，自重輕，強(qiáng)度高，裁剪容易，施工簡單，且不影響原有結(jié)構(gòu)。常見的FRP增強(qiáng)材料有CFRP和GFRP等，外觀與性能均有不同。使用FRP材料增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)能夠避免傳統(tǒng)加固法如加釘、嵌縫加箍、粘貼金屬板、化學(xué)灌漿等方法中對原有結(jié)構(gòu)的破壞與化學(xué)腐蝕污染，同時(shí)可以在基本保持外觀的條件下顯著提升木結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和耐疲勞性能。本文通過對國內(nèi)外利用不同纖維增強(qiáng)材料加固木結(jié)構(gòu)研究成果的總結(jié)，分析了研究現(xiàn)狀，并指出其中不足，且對FRP加固木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景加以展望。

1 對使用FRP材料增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究

1.1 抗剪性能

剪切破壞是木結(jié)構(gòu)受損的主要表現(xiàn)之一，使用FRP材料增強(qiáng)是提升其抗剪性能的有效手段，更高的破壞極限可以使得木結(jié)構(gòu)的剛性與承載力均得到加強(qiáng)。Triantafillou對粘貼U型CFRP箍的木梁的抗剪性能試驗(yàn)，并使用不同粘貼厚度和方向的CFRP布進(jìn)行抗剪性能實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過CFRP布材加固后的木構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度得到了明顯提升［3］。同時(shí)加固后的木構(gòu)件在試驗(yàn)中抗彎性能、延性和剛度等都得到了可觀的加強(qiáng)。S.Hay等進(jìn)行了對豎向和斜向粘貼GFRP材料加固木梁受剪承載力的試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，不同的粘貼方法加固效果是不同的。其中豎向粘貼GFRP加固木梁的受剪承載力提高16.4%，而斜向粘貼GFRP加固木梁的受剪承載力提高34.1%。其因此提出了在加固時(shí)斜向粘貼frp材料以獲取更佳性能［4］。Marco Corradi等通過實(shí)驗(yàn)測試了使用GFRP增強(qiáng)木樓板的抗剪切強(qiáng)度。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析對比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明使用GFRP增強(qiáng)后木樓板的抗剪切強(qiáng)度和剛度較之對照組木樓板得到了明顯提高［5］。R.Velmurugan，V Manikandan以玻璃纖維與棕?cái)R樹纖維，制備出兩種不同結(jié)構(gòu)的纖維混合材料，并分別研究測試了以棕?cái)R纖維與玻璃纖維隨機(jī)混合與玻璃纖維表層、棕櫚纖維芯層的復(fù)合材料的物理力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了兩種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗剪切強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性和抗彎性能都有較大的提高，同時(shí)吸濕性下降，機(jī)械性能得到提高。另外，玻璃纖維表層、棕櫚纖維芯層的復(fù)合材料的各項(xiàng)物理力學(xué)性能均優(yōu)于隨機(jī)混合纖維材料［6］。

近年來，我國科研人員對使用FRP增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)抗剪性能的研究也有所增加。許清風(fēng)等對利用CFRP布增強(qiáng)木梁的抗剪性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)研究了使用CFRP增強(qiáng)的木梁之受剪承載性能，并對13根試件木梁增強(qiáng)前后受剪承載力的變化進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粘貼CFRP布增強(qiáng)木梁不僅可提高其抗剪性能，還可加強(qiáng)其剛度從而獲得更大承載能力［7］。王鯤進(jìn)行了CFRP增強(qiáng)矩形木梁受剪承載力的試驗(yàn)研究。其實(shí)驗(yàn)中使用7根矩形木梁進(jìn)行受剪荷載對比實(shí)驗(yàn)，研究了順紋方向剪切破壞與斜截面剪切破壞的兩種主要受剪破壞形態(tài)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對這兩種剪切破壞形態(tài)發(fā)生的條件進(jìn)行了計(jì)算分析，提出了相應(yīng)的加固方法［8］。淳慶，潘建伍研究了碳纖維與芳綸纖維混雜纖維布增強(qiáng)木梁的抗剪性能，進(jìn)行了12根試件的抗剪實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)分析了破壞形式、載荷與應(yīng)變關(guān)系的規(guī)律并建立了碳－芳綸纖維混雜纖維布加固矩形木梁的抗剪承載力計(jì)算公式。指出了木梁截面中和軸位置最易發(fā)生受剪破壞，并由此提出對策:在施工中應(yīng)盡量避免木梁的中和軸位置附近出現(xiàn)節(jié)疤、斜理紋等缺陷［9］。

1.2 抗彎性能

Plevris等在1992年對木梁和木柱的張拉面粘貼單向纖維布的抗彎性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并首先在學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表了實(shí)驗(yàn)報(bào)告［10］。Blas對FRP加強(qiáng)膠合層木的抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，比較了底板粘貼和夾心粘貼的參數(shù)影響，實(shí)驗(yàn)證明使用FRP增強(qiáng)膠合層木可以提高其抗彎性能，在應(yīng)用中效果良好［11］。Marco Corradi，Antonio Borri通過實(shí)驗(yàn)測試了對冷杉和栗樹木梁使用GFRP材料進(jìn)行加固前后的抗彎剛度以及材料強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用GFRP材料加固試件木梁可以明顯提高其抗彎性能，實(shí)驗(yàn)?zāi)玖旱某休d能力也得到了顯著增強(qiáng)［12］。Dagher等在研究中分別使用CFRP與GFRP對木梁進(jìn)行增強(qiáng)，并對性能進(jìn)行對比，指出等量使用CFRP相比GFRP具有更好的增強(qiáng)效果，使木梁的抗彎強(qiáng)度和彈性模量提升幅度更大。但從成本效能上看，使用GFRP更為經(jīng)濟(jì)［13］。Lopez Andio等進(jìn)行了使用GFRP布對兩跨連續(xù)膠合木梁進(jìn)行加固的試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)對使用不同方法粘貼GFRP布的增強(qiáng)效果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，在上下兩面粘貼兩層水平向GFRP布加固膠合木梁不僅使極限承載力提高了47%，也使得剛度和延性也得到改善。而粘貼兩層斜向45°方向的GFRP布加固膠合木梁的極限承載力沒有明顯提高［14］。值得注意的是，S.Hay也曾提出斜向粘貼FRP材料以增強(qiáng)抗剪性能，但并不與此結(jié)論沖突。以上研究結(jié)果說明了在對木結(jié)構(gòu)使用FRP材料增強(qiáng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體受力情況進(jìn)行分析，靈活運(yùn)用方法以達(dá)到最好的效果［4］。馬建勛等對使用CFRP加固的矩形截面木梁進(jìn)行了抗彎性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明使用CFRP材料增強(qiáng)后，木梁的抗彎極限承載力得到了顯著提升，性能得到改善［15］。王全鳳等經(jīng)過實(shí)驗(yàn)指出，在木梁受拉區(qū)粘貼GFRP是提高其抗彎性能的有效方法。試驗(yàn)中，木梁經(jīng)過單層GFRP增強(qiáng)后抗彎極限承載能力提高了31%，使用雙層GFRP增強(qiáng)后，承載力提高45%，性能表現(xiàn)優(yōu)于單層加固。在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出與各種破壞類型相對應(yīng)的杉木梁和使用GFRP增強(qiáng)后杉木梁的極限承載力計(jì)算公式，并對各試驗(yàn)梁的極限抗彎承載力進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好［16］。曹海等經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在木梁受拉區(qū)設(shè)置FRP材料加固層可以有效加強(qiáng)木梁的抗彎性能，提高承載能力。試驗(yàn)使用了GFRP和GFRP兩種材料進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)CFRP加固層的加固效果更佳:在兩組試件受拉區(qū)域分別粘貼單層GFRP與CFRP，使用GFRP增強(qiáng)后承載力提高了17.69%，而使用CFRP增強(qiáng)可使木梁承載力提高 30.61%［17］。

2 對木結(jié)構(gòu)使用預(yù)應(yīng)力FRP材料增強(qiáng)的研究

預(yù)應(yīng)力能夠抵消部分載荷，對構(gòu)件施加預(yù)應(yīng)力可以提高構(gòu)件剛性、減小彈性形變，從而提高構(gòu)件的極限承載能力。早在1962年，Bohanan曾設(shè)想在木結(jié)構(gòu)中施加預(yù)應(yīng)力，并對此進(jìn)行了初步探索，但因?yàn)闆]有適合應(yīng)用的預(yù)應(yīng)力材料而未能繼續(xù)深入研究［18］。最早成功研究對FRP增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力的是希臘佩特羅大學(xué)教授Triantafillou。1992年，他提出將預(yù)先拉張的纖維布粘貼于持載木梁的受拉面，待達(dá)到粘結(jié)強(qiáng)度后釋放，從而實(shí)現(xiàn)使用預(yù)應(yīng)力FRP材料增強(qiáng)木質(zhì)梁結(jié)構(gòu)。其在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對于此類預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)木梁進(jìn)行的抗彎性能試驗(yàn)表明，施加預(yù)應(yīng)力后構(gòu)件的強(qiáng)度較之普通木梁可以提高30%左右，較之非預(yù)應(yīng)力FRP增強(qiáng)木梁也可提高約15%。值得注意的是，其實(shí)驗(yàn)表明經(jīng)過預(yù)應(yīng)力FRP材料增強(qiáng)的木梁剛度得到了明顯提高，證明了預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)的優(yōu)勢［19－20］。瑞士聯(lián)邦材料研究實(shí)驗(yàn)室 (Swiss Federal Materials Research Laboratory，即EMPA)研制出了斜向錨固系統(tǒng)以便于穩(wěn)定地對FRP施加預(yù)應(yīng)力，并申請了相應(yīng)專利［21］。王鋒，王增春，何艷麗，等對預(yù)應(yīng)力纖維材料加固木梁進(jìn)行理論分析，給出了在預(yù)應(yīng)力條件下粘結(jié)應(yīng)力的解析解，并提出了以預(yù)彎法施加預(yù)應(yīng)力，較為簡單實(shí)用［22］。牛赫東，吳智深研究了使用預(yù)應(yīng)力FRP材料增強(qiáng)的重點(diǎn)和問題，提出了避免應(yīng)用中預(yù)應(yīng)力FRP材料端部剝離破壞的建議:在保持補(bǔ)強(qiáng)截面積不變的條件下，盡量增大FRP的寬度;在端部附近使用低剛度、高強(qiáng)度的粘結(jié)材料;在端部附近逐步減小FRP的厚度以及在端部附近逐步減小FRP中的預(yù)應(yīng)力。在研究使用預(yù)應(yīng)力FRP材料的一些實(shí)驗(yàn)中，往往出現(xiàn)材料拉張端由預(yù)應(yīng)力引起的剪應(yīng)力集中現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，施加預(yù)應(yīng)力過大可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)荷載前發(fā)生剝離破壞［23］。因此，在應(yīng)用預(yù)應(yīng)力FRP材料對木結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意此類情形，并加強(qiáng)對預(yù)拉張端部的處理［24－25］。

3 FRP粘結(jié)性能相關(guān)研究

現(xiàn)實(shí)中使用FRP材料增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)需要將纖維增強(qiáng)樹脂通過粘結(jié)劑的作用與木結(jié)構(gòu)復(fù)合，因此FRP的粘結(jié)性能直接關(guān)系到復(fù)合材料的整體性能。為此美國緬因大學(xué)Yong Hong等對木材與FRP復(fù)合界面的耐疲勞性能與抗斷裂性能進(jìn)行了研究，指出了膠接界面的粘結(jié)強(qiáng)度在很大程度上直接決定了使用FRP增強(qiáng)后的木材工程復(fù)合材料之性能［26］。Barbero，E等研究了FRP布與木構(gòu)件的界面粘結(jié)性能，研究結(jié)果表明，用結(jié)構(gòu)膠粘貼FRP布可保證界面剪力的有效傳遞，但潮濕條件下界面粘結(jié)強(qiáng)度明顯惡化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，潮濕試件界面剪應(yīng)力僅為對照組干燥試件的43%［27］。Vick等通過實(shí)驗(yàn)對多種類型的粘結(jié)劑與不同樹種間的粘結(jié)性能進(jìn)行了研究。研究進(jìn)行了干濕循環(huán)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，使用耦合劑HMR(甲基間苯二酚)能夠提高粘結(jié)強(qiáng)度，在干濕循環(huán)環(huán)境中性能優(yōu)勢明顯［28－29］。Jed S.Lyon。等將黃松木使用鉻砷酸化銅 (CCA)處理后進(jìn)行測試，通過實(shí)驗(yàn)研究，指出了使用HMR可全面提高粘接強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)中同時(shí)也對不同表面粗糙度對復(fù)合FRP粘結(jié)強(qiáng)度的影響進(jìn)行了對比研究。實(shí)驗(yàn)中使用了100 grit的砂紙對木材表面進(jìn)行打磨，結(jié)果表明表面粗糙度粘結(jié)強(qiáng)度的影響不明顯［30］。Davie對不同類型的粘結(jié)劑性能進(jìn)行了研究，指出環(huán)氧樹脂相比于比傳統(tǒng)的甲醛基粘結(jié)劑 (traditional formaldehyde－based adhesive)更適用于改善FRP與木材的粘結(jié)性能［31］。而Kim等的研究也表明，用環(huán)氧樹脂類粘結(jié)劑能很好地保證木與FRP界面的粘結(jié)強(qiáng)度［32－33］。印度的安納馬萊大學(xué)(Annamalai University)的V.Srinivasan在微觀環(huán)境下對GFRP材料進(jìn)行了分析。其利用電子掃描顯微鏡對不同纖維長度的gfrp材料進(jìn)行了對比分析，指出使用環(huán)氧樹脂復(fù)合短纖維玻璃纖維材料磨損率更高［34］。

4 其他相關(guān)研究

C.P.Pantelides，P.Romero，L.D 對使用GFRP增強(qiáng)后木桁架的抗拉性能進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗(yàn)，證明了通過GFRP增強(qiáng)手段可以使得木桁架的抗拉性能明顯增強(qiáng)，在復(fù)合桁架自重和地震載荷下抵抗能力顯著增加［35］。Lawrence A Soltis等研究了GFRP增強(qiáng)螺栓結(jié)合緣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對木纖維紋理垂直方向的強(qiáng)度提升達(dá)200%，纖維紋理平行方向的連接強(qiáng)度也得到33%的提高，同時(shí)抗拉伸性能也得到了加強(qiáng)［36］。Van de Kuilen等通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在受拉而或受壓力面粘貼等量的GFRP布對木梁剛度的提高效果無明顯差異［37］。Gilfillan通過在受拉面和受壓面粘貼frp加固木質(zhì)梁的對比試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)和證明了在受拉面粘貼frp可以取得更好的加固效果［38］。Plevirs等對FRP加固木梁的徐變進(jìn)行分析，并在研究中利用粘彈性模型考慮溫濕效應(yīng)和徐變時(shí)效特性，建立了時(shí)間、溫度、濕度的應(yīng)變函數(shù)［39］。賀微粒等研究了采用浸膠玻璃纖維布強(qiáng)化方法制造楊木膠合板模板。研究以楊木膠合板模板的彈性模量為指標(biāo)，分析了玻璃纖維布浸膠量、偶聯(lián)劑用量、玻璃纖維布上下面單板涂膠量等對材料性能的影響。在試驗(yàn)確定的優(yōu)化工藝條件下模板的縱、橫向彈性模量分別提高23.6%和35.4%，縱、橫向靜曲強(qiáng)度分別提高了24.5%和65.3%［40］。程麗美，黃慧，朱一辛研究了玻璃纖維對楊木單板層積材彎曲性能的增強(qiáng)效果。試驗(yàn)結(jié)果表明:玻璃纖維對楊木單板層積材的橫向靜曲強(qiáng)度、彈性模量均有明顯增強(qiáng)效果，且對橫向靜曲強(qiáng)度的增強(qiáng)幅度更大。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，試件橫向靜曲強(qiáng)度值提高了79.6%［41］。

5 結(jié)束語

目前對于使用FRP材料增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了積極的探索?？傮w來講，國外相關(guān)研究成果較之國內(nèi)同行在數(shù)量與研究范圍上均處于相對的領(lǐng)先地位［42］。在我國，木結(jié)構(gòu)建筑應(yīng)用廣泛，并有大量的古代木結(jié)構(gòu)建筑遺存亟待加固與保護(hù);此外在低碳環(huán)保的理念下，木材必然得到更為廣泛的應(yīng)用，因此有必要加強(qiáng)該方面的研究。目前對于FRP增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)形成了一定規(guī)模，但仍存在需要繼續(xù)深入探討之處:

(1)應(yīng)結(jié)合我國特色木結(jié)構(gòu)風(fēng)格，進(jìn)一步研究使用FRP加固榫卯結(jié)構(gòu)等的性能提升。

(2)應(yīng)加強(qiáng)使用FRP增強(qiáng)后木結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境下抗老化與侵蝕的研究。

(3)另外，防火性能是木結(jié)構(gòu)的一大缺陷，研究FRP增強(qiáng)材料對木結(jié)構(gòu)防火性能的改善也是值得注意的問題。

經(jīng)過人類數(shù)千年的應(yīng)用，木結(jié)構(gòu)建筑體系至今仍在不斷創(chuàng)新與完善之中。隨著時(shí)代進(jìn)步以及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于木材本身性能的加強(qiáng)必然對木結(jié)構(gòu)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，而使用高性能、低成本的FRP復(fù)合材料增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)的研究將得到進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。

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