嵌入式碳纤维板加固木梁抗弯性能的试验研究

淳 庆 张 洋 潘建伍

(1东南大学城市与建筑遗产保护教育部重点实验室，南京 210096)

(2东南大学土木工程学院，南京 210096)

(3南京航空航天大学土木工程系，南京 210016)

嵌入式碳纤维板加固木梁抗弯性能的试验研究

淳 庆1张 洋2潘建伍3

(1东南大学城市与建筑遗产保护教育部重点实验室，南京 210096)

(2东南大学土木工程学院，南京 210096)

(3南京航空航天大学土木工程系，南京 210016)

为了研究嵌入式碳纤维板加固矩形木梁的破坏形式、抗弯承载力和截面应变分布，对不同尺寸的12种嵌入式碳纤维板加固矩形木梁试件的抗弯性能进行了试验研究，试件包括4根未加固梁和8根嵌入式碳纤维板加固梁，松木和杉木各占一半.试验结果表明，与未加固试件相比，木梁经嵌入式碳纤维板加固后，抗弯承载力明显提高.松木试件和杉木试件的抗弯承载力提高幅度分别为9.1%～35.1%和19.8%～37.4%.木梁截面应变沿梁截面高度方向的分布基本符合平截面假定.最后，基于理论公式的推导和试验数据的修正，提出了嵌入式碳纤维板加固松木和杉木矩形木梁抗弯承载力的计算公式.

嵌入式碳纤维板;木梁;抗弯承载力;平截面假定

木结构是我国和东亚其他国家历史建筑中最 重要的结构形式，至今我国仍留存着大量的宫殿、庙宇、民居等木结构历史建筑，其本身蕴含了丰富的历史文化内涵，是中华文明的重要组成部分.由于自身材性缺陷和环境因素的影响，木结构需要进行定期维护和修复.传统的木结构加固方法主要有加钉法、加铁箍法、附加梁板法、附加断面法等.这些加固方法容易使木结构历史建筑改变原貌，而且操作稍有不慎将导致新的构件破坏.近年来，由于纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer，FRP)具有高比强度和良好的耐腐蚀性，在木结构维修加固领域得到了越来越广泛的研究和应用［1］.这些研究大都采用外贴FRP布对木梁、柱和节点进行加固修复，可以在不损伤原构件的前提下提高结构的承载力和刚度，但也存在一定的缺陷，如刚度的提高幅度不够大、不适用于清漆的木构件等.嵌入式FRP板(筋)加固法具有一些特别的优势，既适用于油漆的木构件，也适用于清漆的木构件，并且可以大幅度提高木构件的刚度.

国外已有学者对嵌入式FRP板(筋)加固修复木结构进行了研究，主要针对的是胶合木结构.Gentile等［2］对采用GFRP筋嵌入式加固方法的22根锯木梁进行了短期实验加载研究，结果显示，加固后的木梁破坏模式由原来的脆性拉伸破坏变成了受压失效，受弯承载力提高了18% ～46%.Lorenzis等［3］研究了CFRP筋与胶合木之间的界面黏结性能，建立了局部黏结滑移模型，结果表明，FRP筋明显改善了胶合木的延性.Micelli等［4］采用嵌入式CFRP筋修复破旧胶合木梁，研究其节点性能，结果表明，CFRP筋设置有效，随着CFRP筋长度的增加，加固结构的受荷能力逐渐增强.

目前，国内关于外贴FRP加固修复木结构的研究较多［5-8］，而对嵌入式FRP板(筋)加固修复木结构的研究则处于起步阶段，仅有少数学者对此开展研究.许清风等［9］进行了内嵌CFRP筋维修加固旧木梁的实验研究，结果表明，内嵌CFRP筋加固老化旧木梁能明显提高其受弯承载力，使其破坏模式由脆性受拉破坏转变为延性受压破坏.王林安等［10］对应县木塔横纹承压构件采用GFRP筋增强加固，短期荷载试验结果表明，GFRP筋增强横纹承压组合木结构的横纹承压承载力能提高达4倍以上，刚度增加，延性明显改善.

本文研究了嵌入式碳纤维板加固不同材质矩形木梁的抗弯性能，主要包括木梁的破坏形式、抗弯承载力和截面应变分布.

1 试验设计

中国传统木结构建筑承重用材主要选用松木和杉木，因此，本试验中也选用这2种木材.其中，松木树种为花旗松(强度等级为TC15A)，杉木树种为杉木(强度等级为TC11A).试件分为未加固梁4根(松木和杉木各2根)、嵌入式粘贴碳纤维板加固梁8根(松木和杉木各4根)，采用矩形截面简支梁.木梁的尺寸设计为长1 700 mm，宽100 mm，高150 mm.图1为试件示意图.

图1 试件示意图(单位:mm)

试验选用同一批次的木材.通过材性试验，得到松木试验材料的力学参数如下:顺纹抗拉强度为132.90 MPa，顺纹抗压强度为42.78 MPa，抗弯强度为64.31 MPa，顺纹抗剪强度为8.70 MPa，抗弯弹性模量为12.204 5 GPa.杉木试验材料的力学参数如下:顺纹抗拉强度为78.84 MPa，顺纹抗压强度为39.23 MPa，抗弯强度为71.98 MPa，顺纹抗剪强度为4.94 MPa，抗弯弹性模量为10.263 GPa.

碳纤维板的抗拉强度标准值为2.6 GPa，拉伸弹性模量为180 GPa，伸长率为1.8%.采用配套结构胶.试件设计方案见表1.

表1 试件设计方案

试验在南京航空航天大学土木工程实验室中2 000 kN梁柱压力试验机上进行.加载方式为两点加载，由荷载分配梁来实现.在木梁各集中受力点处垫上钢板，防止木梁被横向压坏.采用千斤顶进行分级加载，通过力传感器来显示每一级荷载.梁的受压区被压皱褶前，每一级荷载增值约为5.0 kN;梁被压皱褶后，每级荷载增值约为2.0 kN.试验装置如图2所示.每加载一次，记录梁跨中位移和梁跨中截面上木纤维的应变，并观察记录木梁的破坏情况.

图2 试验装置图

2 试验

对于未加固的松木试件PB0Ba，PB0Bb和杉木试件 FB0Ba，FB0Bb，当荷载加至极限荷载的40% ～60%时，开始发出轻微响声;继续加载，出现连续、细微的劈裂声，加载点处局部木纤维被压溃;加载至极限荷载时，出现连续、较大的劈裂声;最后，在一声巨响下，木梁底部跨中位置木纤维拉断，构件脆性破坏.图3为部分未加固试件的破坏形态.

对于嵌入式碳纤维板加固的松木试件PH1Da，当加载至极限荷载50%左右时，开始出现劈裂声;继续加载，出现连续的劈裂声，木梁跨中靠近底面处出现裂缝;加载至极限荷载时，木梁跨中靠近底部处的木纤维被拉断，构件破坏.对于松木试件PH1Db，当加载至极限荷载70%左右时，开始出现细微的劈裂声;继续加载，出现多次的细微劈裂声，此时木梁跨中底部和受拉边一些缺陷(如节疤、斜理纹)处首先出现开裂;加载至极限荷载时，木梁不断出现劈裂响声;随后，木梁跨中底部和靠近底部木纤维拉断，构件破坏.对于松木试件PH3Da和PH3Db，当加载至极限荷载85%左右时，开始出现劈裂声;继续加载，出现连续的劈裂声，木梁跨中靠近底面处出现裂缝;加载至极限荷载时，木梁不断出现劈裂响声;随后，木梁跨中底部和靠近底部的木纤维拉断，构件破坏.

图3 未加固试件的破坏形态

对于嵌入式碳纤维板加固的杉木试件FH1Da，当加载至极限荷载85%左右时，开始出现劈裂声;继续加载，出现连续劈裂声，木梁跨中靠近底面处出现裂缝;加载至极限荷载时，突然出现一声巨响，木梁截面1/2高度处沿木梁长度方向剪切破坏，构件破坏.对于杉木试件FH1Db，当加载至极限荷载80%左右时，开始出现细微的劈裂声;继续加载，出现多次细微劈裂声，此时木梁跨中底部和受拉边一些缺陷(如节疤、斜理纹)处首先出现开裂;加载至极限荷载时，木梁不断出现劈裂响声;随后，木梁底部木纤维拉断，构件破坏.对于杉木试件FH3Da，当加载至极限荷载85%时，开始出现劈裂声;继续加载，出现连续的劈裂声，木梁跨中靠近底面处出现裂缝;加载至极限荷载时，突然出现一声巨响，木梁截面1/3高度处沿木梁长度方向剪切破坏，构件最终破坏.对于杉木试件FH3Db，在加载至极限荷载前除了有较大的变形外，并没有较为明显的响声和裂缝产生;加载至极限荷载时，出现沿着端部到另一端纵贯截面1/2高度的裂缝，构件最终破坏.

图4为部分嵌入式碳纤维板加固木梁试件的破坏形态.

图4 嵌入式碳纤维板加固试件的破坏形态

3 试验结果

下面对嵌入式碳纤维板加固木梁的极限抗弯承载力以及加固木梁在受弯时的应变分布是否符合平截面假定进行了分析.

3.1 极限承载力

木梁抗弯承载力的试验结果见表2.由表可知，木梁经嵌入式碳纤维板加固后，其抗弯承载力有了明显的提高，松木试件和杉木试件的提高幅度分别约为9.1%～35.1%和19.8%～37.4%.

表2 抗弯承载力的试验结果

3.2 平截面假定验证

图5为部分未加固梁和加固梁在跨中截面沿高度方向的应变分布.从图中可以看出，未加固梁和加固梁的应变沿高度方向的分布基本符合平截面假定，因此在计算分析时可以将平截面假定作为一个基本假定.

4 理论分析

对嵌入式碳纤维板加固木梁抗弯承载力的计算公式进行了理论推导，利用试验数据对推导出的公式进行修正，进而提出了嵌入式碳纤维板加固松木和杉木矩形木梁的抗弯承载力计算公式.

图5 跨中截面上应变分布

4.1 基本假定

承载力计算推导过程中采用的基本假定如下:①木梁受弯后，截面应变分布符合平截面假定;②木材材质均匀，无节疤、虫洞、裂缝等天然缺陷;③木材在拉、压、弯状态下的弹性模量相同;④木材在受拉和受压时表现为线弹性;⑤ 碳纤维板材料采用线弹性应力-应变关系;⑥ 达到受弯承载力极限状态之前，嵌入式碳纤维板与木材黏结可靠，不发生滑移，保持应变协调.

4.2 抗弯承载力计算公式

由于试件在试验过程中的破坏现象基本为木材受拉边脆断破坏［4］.因此，综合考虑碳纤维材料与木材之间的黏结效应、木材的各向异性及木梁受压区局部塑性变形，引入修正系数α，由平截面假定、力学平衡方程和变形协调关系可得

式中，y0为受压区截面高度;H为截面高度;b为截面宽度;s为所开木槽的宽度;h为木槽距离受压区边缘的高度;Ih为截面综合惯性矩;n为碳纤维板与木材的弹性模量比值;ACFRP为碳纤维板的面积;σwtu为木材的抗弯强度;Mu为木梁抗弯承载力.

对试验数据进行回归分析，得到嵌入式碳纤维板加固矩形木梁的抗弯承载力计算公式如下:

松木构件

杉木构件

5 结论

1)与未加固试件相比，木梁经嵌入式碳纤维板粘贴加固后，抗弯承载力有了明显提高.松木试件和杉木试件的抗弯承载力提高幅度分别为9.1%～35.1%和19.8%～37.4%.

2)嵌入式碳纤维板加固木梁试件在受弯时，截面应变沿梁截面高度方向的分布基本符合平截面假定.

3)建立了嵌入式碳纤维板加固松木和杉木矩形木梁的抗弯承载力计算公式.

4)在工程设计和施工时，应避免将节疤、斜理纹等缺陷放置在木梁的受拉边.

［1］许清风，朱雷.FRP加固木结构的研究进展［J］.工业建筑，2007，37(9):104-108

Xu Qingfeng，Zhu Lei.State-of-the-art of wood structure strengthened with FRP［J］.Industrial Construc-tion，2007，37(9):104-108.(in Chinese)

［2］ Gentile Chris， Svecova Dagmar. Timber beams strengthened with GFRP bars:development and applications［J］.Journal of Composites for Construction，2002，6(1):11-20.

［3］ De Lorenzis Laura，Scialpi Vincenza，La Tegola Antonio.Analytical and experimental study on bonded-in CFRP bars in glulam timber［J］.Composites Part B:Engineering，2005，36(4):279-289.

［4］ Micelli Francesco，Scialpi Vincenza，La Tegola Antonio.Flexural reinforcement of glulam timber beams and joints with carbon fiber-reinforced polymer rods［J］.Journal of Composites for Construction，2005，9(4):337-347.

［5］张大照.CFRP布加固修复木柱梁性能研究［D］.上海:同济大学土木工程学院，2003

［6］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.

Wang Quanfeng，Li Fei，Chen Haojun，et al.Experimental study on flexural behaviour of timber beams reinforced with BFRP sheets［J］.Industrial Construction，2010，40(4):126-130.(in Chinese)

［7］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.Wang Quanfeng，Li Fei，Chen Haojun，et al.Experimental study on bending behavior of timber beams reinforced with GFRP sheets［J］.Building Structure，2010，40(5):50-52.(in Chinese)

［8］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，2008，11(5):591-597.

Yang Huifeng，Liu Weiqing，Shao Jinsong，et al.Study on flexural behavior of timber beams strengthened with FRP［J］.Journal of Building Materials，2008，11(5):591-597.(in Chinese)

［9］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.

Xu Qingfeng，Zhu Lei.Experiment study on aging and damaged old timber beams repaired and strengthened with NSM CFRP rods［J］.China Civil Engineering Journal，2009，42(3):23-28.(in Chinese)

［10］王林安，樊承谋，潘景龙.应县木塔横纹承压构件GFRP棒增强加固试验研究［J］.中国文物科学研究，2008，3(1):34-37.

Experimental study on bending behaviors of timber beams strengthened with near-surface mounted CFRP sheets

Chun Qing1Zhang Yang2Pan Jianwu3

(1Key Laboratory of Urban and Architectural Heritage Conservation of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(2School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(3Department of Civil Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

In order to study the bending behaviors，including the failure mode，bending bearing capacity and strain distribution at mid-span section，of timber rectangle beams strengthened with nearsurface mounted carbon fiber reinforced polymer(CFRP)sheets，the bending tests on 12 specimens with different sizes were carried out.The specimens include 4 unstrengthened specimens and 8 specimens strengthened with near-surface mounted CFRP sheets.The number of specimens made by deal and fir is half to half.The experimental results show that compared with the unstrengthened specimens，the bending bearing capacity of the specimens strengthened with near-surface mounted CFRP sheets are obviously improved.The bending bearing capacities of the deal specimens and the fir specimens are improved by 9.1% －35.1%and 19.8% －37.4%，respectively.The distribution of section strain along the height of timber beam basically obeys the plane hypothesis.Based on the theoretical analysis and experimental results，the computing formulas of the bending bearing capacity of deal and fir rectangle beams strengthened with near-surface mounted CFRP sheets are presented.

near-surface mounted carbon fiber reinforced polymer(CFRP)sheet;timber beam;bending bearing capacity;plane hypothesis

TU 366.2

A

1001－0505(2012)06-1146-05

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.023

2012-02-03.

淳庆(1979—)，男，博士，副教授，cqnj1979@163.com.

国家自然科学基金重点资助项目(51138002)、国家自然科学基金资助项目(51008059)、浙江省文物局文物保护科技资助项目.

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.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.023］