謝德強

(四川煙草工業(yè)有限責(zé)任公司綿陽分廠)

我國傳統(tǒng)建筑文化博大精深，木結(jié)構(gòu)是其主要結(jié)構(gòu)形式之一，它傳承和凝聚著中華民族的深刻文化內(nèi)涵和優(yōu)良傳統(tǒng)，具有極高的文物、歷史和藝術(shù)價值，是世界建筑藝術(shù)的珍寶。目前，我國仍存有數(shù)量龐大的木結(jié)構(gòu)民居、橋梁、寺廟等建筑，是重要的歷史和建筑文化遺產(chǎn)，如馳名中外的北京故宮和山西應(yīng)縣木塔等，需要長期作好保護工作。在美國、日本和韓國等發(fā)達國家，也有很多的傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)，且近年來涌現(xiàn)了不少新型木結(jié)構(gòu)，主要是別墅和多層住宅。由于木材強度(特別是橫紋抗拉及抗壓強度)和彈性模量低、易老化、天然缺陷多(主要是木節(jié)、斜紋和裂紋)、且易受地震破壞、微生物侵害、洪水沖擊和雨水侵蝕等缺點，因此需要對木結(jié)構(gòu)進行頻繁地維護和修復(fù);除此之外，因建筑物使用功能和荷載的改變，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力和變形發(fā)生變化，有時甚至引起破壞，因此也需要對木結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的改造和補強。

1 木結(jié)構(gòu)加固的常用方法

通常情況下，木結(jié)構(gòu)的主要受力部件是梁、柱等構(gòu)件和節(jié)點，損傷和破壞通常也出現(xiàn)在上述部位，因此，木結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)主要是對構(gòu)件和節(jié)點的增強。常采用的主要加固方法有嵌補、剔補、螺栓加固法、拉桿法、化學(xué)灌漿、附加梁板法和局部更換法等。這些方法在符合一定的條件下能夠?qū)δ窘Y(jié)構(gòu)起到加固和修復(fù)作用，但同時也帶來了一些新的問題：(1)工序多，施工時間較長;(2)某些方法具有嚴(yán)格的條件限制，不便于推廣應(yīng)用;(3)在提高構(gòu)件的強度和剛度的同時，往往又破壞了建筑原貌，有的還會引起化學(xué)腐蝕或銹蝕等問題，違背了《古建筑木結(jié)構(gòu)維護與加固技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的“修舊如舊”原則。隨著纖維增強復(fù)合材料(Fiber Reinforced Plastics)(簡稱FRP)在土木工程中越來越廣泛的應(yīng)用，人們開始關(guān)注將其運用到木結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)中。

2 FRP的特性與分類

FRP被認(rèn)為是繼混凝土和鋼材之后的“第三大現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料”，其主要由碳纖維、玻璃纖維等高性能纖維，經(jīng)過聚酯基或環(huán)氧樹脂等基體膠合后擠壓、拉拔成型。具有重量輕(密度約為鋼材的25%)、抗拉強度高(顯著超越普通鋼筋)、幾何可塑性大、易于裁剪成型、抗腐蝕性和耐久性好、絕緣絕熱性能好、可設(shè)計性強、施工快捷周期短等特點，近年來在土木工程領(lǐng)域中得到了飛速地發(fā)展。同時，由于不同纖維的化學(xué)成分不同，所以，不同的FRP其力學(xué)性質(zhì)差異往往比較大，且通常是各向異性材料。土木工程實踐中常見的FRP復(fù)合材料，從材料形狀上分，主要有片材、筋、棒和索等;從纖維種類上分，主要包括碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料、玄武巖纖維復(fù)合材料和芳綸纖維復(fù)合材料，分別簡稱為CFRP、GFRP、BFRP、AFRP。目前，F(xiàn)RP 在土木工程中的應(yīng)用已涉及建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、地下結(jié)構(gòu)以及海洋和近海結(jié)構(gòu)等，主要體現(xiàn)在加固、修復(fù)舊有結(jié)構(gòu)和直接應(yīng)用于新建結(jié)構(gòu)兩個方面，特別在混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)方面取得了豐富的研究和應(yīng)用成果，但在加固木結(jié)構(gòu)方面的研究還相對較少，發(fā)展也較緩慢。

3 FRP加固木結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

由于FRP材料的諸多優(yōu)點，國內(nèi)外學(xué)者已對其開展了大量的研究工作，并在混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)中大量運用，取得了很好的加固效果和社會經(jīng)濟效益，但在木結(jié)構(gòu)中的實際應(yīng)用還很少。

3.1 國外的研究現(xiàn)狀

美國、歐洲等發(fā)達國家于上世紀(jì)90年代初便開始了FRP(主要是CFRP)加固木結(jié)構(gòu)的研究工作。目前，整體還處于起步階段，已開展的研究工作主要集中在FRP增強梁、柱等構(gòu)件的短期性能和長期性能方面。

(1)短期性能方面。主要通過試驗，對粘貼FRP(主要是CFRP)后木梁的受彎、受剪性能和木柱的受壓性能進行了研究，結(jié)果表明，纖維布與木梁基本能共同變形，協(xié)同工作較好，加固后的木梁在抗彎、抗剪強度、剛度和延性等方面均有顯著的提高，CFRP加固后木柱的承載力也有較大地提高。另外，Triantafilluo還通過試驗研究了預(yù)應(yīng)力CFRP增強木梁的效果。試驗結(jié)果表明，施加預(yù)應(yīng)力后木梁的強度與未施加預(yù)應(yīng)力CFRP梁和普通木梁相比約分別提高15%和30%，剛度也提高明顯，證明施加預(yù)應(yīng)力是一種較好的增強方式。

(2)長期性能方面。Plveris，David分別通過恒溫恒濕恒載試驗和恒溫變濕恒載試驗研究了FRP加固木梁后徐變的變化規(guī)律，并提出了采用粘彈性模型建立關(guān)于時間、溫度和濕度的應(yīng)變函數(shù)分析徐變的方法，研究結(jié)果表明，F(xiàn)RP加固后構(gòu)件的初始變形和徐變變形明顯小于未增強的木梁，利用FRP加固木構(gòu)件既可提高構(gòu)件的承載力，又能明顯地減小徐變的影響。

3.2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀

和發(fā)達國家相比，我國關(guān)于FRP加固木結(jié)構(gòu)的研究工作開展較晚，基本上從本世紀(jì)初才開始進行嘗試性的工作。近年來，逐漸成為了研究的熱點問題。開展的研究工作主要也是針對FRP(大部分是CFRP)或預(yù)應(yīng)力FRP加固后木梁、木柱等構(gòu)件在靜力荷載作用下的力學(xué)性能進行。楊會峰，王鯤分別對FRP增強膠合木梁受彎性能和FRP加固木梁的抗剪破壞形態(tài)開展了試驗研究。結(jié)果表明：FRP增強后構(gòu)件的受彎極限承載力和剛度提高明顯;木梁的受剪破壞形態(tài)有順紋剪切破壞和斜截面剪切破壞兩種。周鐘宏、魏洋、李世宏相繼對FRP加固后的木柱開展了軸心受壓試驗，分析了纖維布加固木柱的破壞特征和受力性能，并給出了受壓承載力的計算公式。文獻采用理論分析方法，給出了預(yù)應(yīng)力纖維材料加固后木梁在預(yù)應(yīng)力條件下粘結(jié)應(yīng)力的解析解，并提出了預(yù)彎法這一較為簡單實用的預(yù)應(yīng)力施加方法。

4 展望與建議

由于我國現(xiàn)仍存有數(shù)量巨大的木結(jié)構(gòu)，需要經(jīng)常性地進行維護和加固，這對于具有優(yōu)異性能的FRP材料來講，其在木結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用無疑將具有廣闊的發(fā)展前景。因此，尋求合理可行的FRP加固木結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法顯得十分突出和重要。為促進FRP在木結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用，作者建議尚需在以下幾個方面開展大量的研究工作。

(1)加大新型FRP材料的研發(fā)力度。盡管目前常采用的CFRP、GFRP等材料能夠起到較好的加固效果，但材料自身仍存在著彈性模量低、徐變大、不耐磨等缺點，這些缺點會較大地影響結(jié)構(gòu)的受力和變形，有時甚至?xí)鹌茐?，因此，有必要研發(fā)性能更加全面的FRP復(fù)合材料。

(2)深入開展理論研究和試驗研究工作。目前關(guān)于FRP加固木結(jié)構(gòu)的國內(nèi)外研究，主要集中于單個構(gòu)件的靜力性能，采用的方法絕大多數(shù)是試驗研究，理論研究很少，且試驗研究開展尚不充分，無論是研究對象和試驗的數(shù)量都還遠遠不夠，得出的計算公式適用性較差，難以推廣。因此，需要在理論研究和試驗研究方面投入更多的精力。

(3)FRP加固木結(jié)構(gòu)耐火極限、防火設(shè)計方法的研究和設(shè)計規(guī)程的制定。迄今為止，國內(nèi)外尚沒有制定有關(guān)FRP加固結(jié)構(gòu)防火設(shè)計方面的規(guī)程，也沒有相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范頒布，這阻礙了FRP在木結(jié)構(gòu)中的推廣和應(yīng)用，因此制定該類結(jié)構(gòu)防火設(shè)計方法和設(shè)計規(guī)程，對于克服木材耐火性差的缺點，提高防火能力促進工程運用，具有迫切的現(xiàn)實意義。

(4)加強FRP加固木結(jié)構(gòu)后構(gòu)件和節(jié)點的動力性能研究和整個結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能研究。從前面的文獻綜述可以看出，目前，在該方面的研究很少，尤其是對加固后整個結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能(特別是抗震性能)的研究更少。然而木結(jié)構(gòu)在使用過程中，除了受到靜荷載作用外，還會受到地震、洪水等動態(tài)作用。因此，非常需要開展構(gòu)件和節(jié)點特別是整個結(jié)構(gòu)體系的動力性能研究，提高整個結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)性能，尤其是抗震性能。

(5)進一步加強粘結(jié)膠的研究。和利用FRP加固混凝土等結(jié)構(gòu)一樣，在FRP加固木結(jié)構(gòu)中，粘結(jié)膠的性能也是影響加固質(zhì)量的重要因素。因此需要進一步加強對粘結(jié)膠的研究、開發(fā)與應(yīng)用。

(6)FRP加固木結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量問題。由于木材的性能不同于混凝土和鋼材，能否直接將較成熟的加固混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的施工工藝用于加固木結(jié)構(gòu)，還需要進一步的試驗研究。

(7)繼續(xù)完善FRP加固木結(jié)構(gòu)徐變和疲勞特性的研究。

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