梁柱式木结构加固方法及抗侧力性能试验研究

熊海贝， 刘应扬， 姚　亚， 李冰阳

(同济大学 土木工程学院，上海 200092)



梁柱式木结构加固方法及抗侧力性能试验研究

熊海贝， 刘应扬， 姚亚， 李冰阳

(同济大学 土木工程学院，上海 200092)

摘要：为研究梁柱式胶合木结构在加固后的抗侧力性能，对9榀单层单跨梁柱式木框架足尺试件进行了低周反复荷载试验，其中3榀为未损坏对照组试件，6榀为加固组试件.考虑了节点区域包裹碳纤维布(FRP)和植入自攻螺钉2种加固方法，及纯框架和隅撑框架2种结构体系形式.根据试验现象和试验数据的分析，探讨了木结构加固方法的可行性，对比了不同方法的效果和差异，研究了各组试件在反复荷载作用下的破坏模式、刚度、变形和耗能等力学性能.结果表明，2种加固方法均可以有效地抑制裂缝开展，并能够恢复结构的强度、刚度、耗能等力学性能；受损的梁柱式木结构框架，采用节点区域加固并增设隅撑，结构的抗侧力性能可以得到显著的提高.

关键词：胶合木； 梁柱式木结构； 加固； 碳纤维布； 自攻螺钉； 低周反复加载

现代梁柱式木结构，多使用木材利用率高、性能更稳定的胶合木；在节点连接方面，也逐渐以金属连接件取代木榫卯连接的形式.木结构的节点具有一定的半刚性能力[1-2]，在地震作用、风荷载等侧向荷载作用下，节点将承受一定的弯矩，易导致节点区域木材劈裂.木材的材料特性与钢材、混凝土等材料差异较大，木结构的加固方法需要进行相应的研究.

现阶段，国内学者针对木结构加固，在应用纤维布(fiber reinforced polymer,FRP)的方面研究较多；采用自攻螺钉(self tapping screw)限制木材开裂的应用和研究则多集中在欧美等国家.杨会峰等[3]对FRP加固胶合木梁受弯性能进行了试验研究，对比分析了6根普通木梁和21根FRP加固木梁的极限荷载与抗弯刚度等结构性能，并探讨了构件的破坏形态与破坏机理.结果表明，FRP可避免或延缓木梁的受拉脆性破坏，降低木材缺陷对其受弯性能的影响，充分利用木材的抗压强度并显著提高构件的刚度和延性性能.邵劲松等[4]对FRP约束木柱轴心抗压性能进行了试验研究，结合15根FRP加固木柱详细探讨受载后试件的工作机理和破坏模式.结果表明，FRP横向加固木柱可提高木柱的抗压承载力，改善木柱的延性.姬卓[5]研究了FRP布不同粘贴方式和层数对木梁的加固效果.Li等[6]对不同包裹方式下FRP加固木柱的轴心受压性能进行了试验研究，对比了环形包裹、单螺旋包裹、双螺旋包裹以及交叉螺旋包裹等包裹方式的影响.Echavarría等[7]采用CFRP(碳纤维布)、GFRP(玻璃纤维布)、金属板、竹纤维等加固胶合木梁，比较了不同材料加固木梁对于强度和刚度的提高程度.Echavarría等[8]对螺栓-钢插板节点进行了自攻螺钉加固，试验及数值分析结果表明，加固后的节点不易出现脆性劈裂破坏，且在承载能力上有一定的提高，横纹方向进行加固的节点连接可以适当减弱顺纹方向的螺栓边距要求.Lam等[9]对30个螺栓-钢插板连接胶合木节点的抗弯性能进行了试验研究，试件分为未加固常规试件、自攻螺钉加固常规试件和自攻螺钉修复损坏试件.试验结果表明，采用自攻螺钉加固和修复的试件，其抗弯承载力分别是未加固常规试件的1.70倍和1.53倍.Kasal等[10]对胶合木梁柱节点区域交叉植入自攻螺钉，同时在梁端部设置硬木挡块，随后对该类节点进行了低周反复试验，对采用该类节点的梁柱框架实施了振动台试验.结果表明，采用自攻螺钉结合挡块设计的梁柱节点转动刚度较大，基本可以满足刚性节点的要求.Yeh等[11]研究了自攻螺钉对胶合木节点性能的影响，考虑了不同的自攻螺钉长度、直径以及螺纹类型等参数，并指出植入自攻螺钉可以提高节点的初始刚度.胶合木在使用中会因含水率变化产生横纹方向上的应力，从而影响构件的承载力.Angst等[12]针对该问题，研究了构件中植入自攻螺钉的影响，指出自攻螺钉可以提供有效的加强作用，同时该加强作用在湿度增加的情况下好于湿度降低的情况.

综合国内外的研究现状，针对梁柱式木结构加固的研究工作，多集中在节点和构件层面，而在结构中的应用和研究较少.结构相对于节点和构件，受到的干扰因素更多，力学性能的变异性更大，在推广工程应用之前，进行结构层面的试验研究是不可或缺的，为此，本文针对加固的梁柱式胶合木框架结构进行抗侧力性能试验，考虑节点区域包裹FRP和植入自攻螺钉2种加固方法，探讨本文木结构加固方法的可行性，对比不同方法的效果和差异，研究各组试件在反复荷载作用下破坏模式、刚度、变形和耗能等力学性能.

1试验概况

1.1试件设计

试验共设计9榀梁柱式木结构框架试件，分为未损坏对照组试件和加固组试件.对照组试件采用全新的工厂预制构件，仅在现场拼装，包括2榀纯框架试件和1榀隅撑框架试件；加固组试件中梁、柱构件采用试验[13]中受损的梁、柱构件(柱底、梁端有不同程度的裂缝)，支撑构件为全新工厂预制，梁、柱现场开槽与支撑构件拼装，包括1榀FRP加固纯框架试件、1榀自攻螺钉加固纯框架试件、2榀FRP加固隅撑框架试件和2榀自攻螺钉加固隅撑框架试件.9榀框架均为足尺试件，跨度均为4 110 mm，高度均为2 740 mm，跨高比3∶2，如表1所示.

表1　试件类型

梁、柱、支撑构件均采用层板胶合木，木材均为加拿大进口的云杉-松-冷杉规格材，材质等级为II级，由苏州皇家整体住宅系统股份有限公司进行胶合，胶合后的强度等级为TC11A.试件材料及截面尺寸见表2.梁柱节点、柱脚节点均采用螺栓-钢插板做法，梁柱接触处、柱与基础接触处不设置预留缝.在试验期间，试件的含水率在12%～14%之间.

本文试件设计的目的是：①探讨梁柱式木结构加固处理的方法及流程；②研究对照组、加固组框架结构的抗侧力性能，对比刚度、变形及耗能等力学参数指标；③研究受损的梁柱式木结构框架，采用节点区域加固并增设隅撑方案的可行性和工程实用性；④对比节点区域包裹FRP加固方法和植入自攻螺钉加固方法的效果和差异.

1.2试件加固方法及流程

受损节点加固流程为：①对梁、柱进行支护，更换变形严重的螺栓，同时清除梁柱节点及柱底节点表面的灰尘、木屑等污物.②采用结构胶(本文采用PM516/500双组份液体聚氨酯黏合剂)灌注裂缝，夹具夹持闭合裂缝，养护直到胶固化.需要特别说明的是本试验中结构胶的作用主要是闭合裂缝，恢复梁、柱构件节点的劈裂变形.③对节点区域包裹FRP或植入自攻螺钉，用以加强结构的抗侧力性能.

1.2.1FRP加固

按图1在木构件表面标出粘贴碳纤维布的区域，加固区域表面打磨光滑，转角做倒角处理.将碳纤维布裁成相应尺寸，避开螺栓孔，在节点处刷胶黏剂，在梁柱节点及柱底节点外包碳纤维布.养护直到胶起强度.根据计算和参考相关文献[6，14]，本文选择3层包裹，碳纤维布选用上海怡昌碳纤维材料有限公司生产的同固牌碳纤维布，黏结剂为纤维布配套环氧树脂胶，碳纤维布的材性如表3所示.

a梁柱详图b柱底详图

图1　FRP加固节点详图(单位：mm)

1.2.2自攻螺钉加固

按图2在木构件表面标出打入自攻螺钉的位置.考虑打入自攻螺钉后木材截面的消弱，为避免木柱或木梁在端部被自攻螺钉冲剪破坏等问题，自攻螺钉打入位置从第1，2排螺栓之间开始.用钻机在相应位置打入自攻螺钉，操作时保证自攻螺钉垂直打入.试验采用德国伍尔特公司生产的型号为ASSY Plus VG自攻螺钉，自攻螺钉长280 mm，直径8 mm，屈服弯矩20 N·m，抗拉承载力20 kN.

a梁柱立面图b梁柱俯视图

c柱底立面图d柱底侧视图

图2自攻螺钉加固节点详图(单位：mm)

Fig.2Joint reinforced with self tapping

screws (unit: mm)

1.3试验装置

试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室进行，采用申克加载系统进行单调和低周反复加载，如图3所示.申克机设计推力为±630 kN，位移量程为±250 mm；申克机固定在反力墙上，与左侧柱顶钢板通过球铰连接.申克机施加推力时，通过左侧钢板直接传力到试件；施加拉力时，先通过钢拉杆传力至右侧钢板，再由右侧钢板传力到试件，从而避免试件节点的局部拉坏.安装在龙门架上的钢滚轴用于限制试件平面外的变形.柱底钢板与地梁采用8个M22螺栓连接，地梁与实验室水泥台座牢固固定.

图3　试验加载装置示意

1.4加载制度

低周反复试验采用位移加载，加载制度参考美国材料与试验协会ASTM E2126-11标准[15]中的方法B(ISO16670标准).先采用极限位移值Δm的1.25%，2.50%，5.00%，7.50%和10.00%依次进行1个循环加载，再采用极限位移值Δm的20%，40%，60%，80%，100%和120%依次进行3个循环加载至结构破坏.低周反复加载的Δm根据单调加载试验[13]确定.纯框架结构体系极限位移Δm,F=250 mm，隅撑结构体系极限位移Δm,HB=40 mm.试验中规定推力为正，拉力为负.试验终止条件为：①力控制，承载力下降至极限荷载的80%(参考ASTM E2126-11标准)；②位移控制，结构侧向位移达到250 mm(层间位移角约为1/11，结构已不宜继续承载).

2试验现象及破坏模式

2.1对照组纯框架结构

试验中随着侧向位移的增加，梁柱节点表现为局部顶紧；局部顶紧使梁柱之间、柱与柱底钢板之间形成了一定的缝隙.在侧向位移加载至50 mm时(1/55位移角)，柱底节点首先出现了裂缝；梁端木材在侧向位移约为100 mm(1/27位移角)时，也发生了劈裂.在后续的试验中，柱底和梁端的木材裂缝继续开展(图4)，但结构的承载力并没有显著地下降，试验在达到位移失效限值250 mm(1/11位移角)时终止.

当结构受到侧向荷载时，半刚性的节点承受一定的弯矩，从而使节点处木材出现横纹拉应力和顺纹剪应力，导致节点处过早开裂破坏，因此，对照组纯框架结构表现出“弱节点、强构件”的破坏模式.

a梁柱节点破坏情况b柱底节点破坏情况

图4对照组纯框架结构破坏模式

Fig.4Failure mode of regular simple frame

2.2加固组纯框架结构

FRP加固纯框架结构.在试验初期，当侧向位移达到12 mm(1/228位移角)左右时，柱表面一些胶黏剂碎裂，柱脚发出轻微的响声.侧向位移达到100 mm(1/27位移角)时，柱底未包裹FRP区域的木材劈裂，但裂缝仅发展至第1道FRP处即终止，并未继续向上开展，柱底节点基本完好；位移达到约150 mm(1/18位移角)时，梁端未包裹FRP区域的木材劈裂，但同样受到FRP约束，未继续开展；结构的承载力持续上升，在加载至250 mm(1/11位移角)时，试验终止，此时结构构件和梁柱节点均无明显破坏现象出现(图5).

a梁柱节点破坏情况b柱底节点破坏情况

图5FRP加固纯框架结构破坏模式

Fig.5Failure mode of simple frame

reinforced with FRP

自攻螺钉加固纯框架结构.随着试验加载，在侧向位移达到50 mm(1/55位移角)时，柱底开始出现裂缝；当位移达到100 mm(1/27位移角)时，裂缝开展至第1道自攻螺钉和第2道自攻螺钉之间，但在后续的加载中，裂缝并未继续发展；当侧向位移达到150 mm(1/18位移角)时，梁端出现裂缝，该裂缝开展至第一道自攻螺钉处终止；后续加载至250 mm(1/11位移角)过程中，结构的承载力继续上升，有新裂缝出现，但均被限制在第2道自攻螺钉以内(图6).

a梁柱节点破坏情况b柱底节点破坏情况

图6自攻螺钉加固纯框架结构破坏模式

Fig.6Failure mode of simple frame reinforced

with self tapping screws

综上，2种加固方法均对节点处的裂缝开展起到良好的限制作用，梁柱式木结构框架的“弱节点”失效模式得到了一定的改善，结构的承载能力也有增强.FRP和自攻螺钉加固的试件，木材开裂均被控制在第2道加固以内，因此在工程应用中，宜采用2道或3道加固.

2.3对照组隅撑框架结构

在加载的初期，侧向位移小于16 mm(1/171位移角)时，无明显的破坏现象，但梁柱、柱脚、支撑连接节点处木材与螺栓顶紧，发出明显的咯咯声.随着侧向位移的增加，支撑连接钢板处有轻微错动，随后柱脚、梁端依次产生裂缝.在加载位移为150 mm(1/18位移角)时，右侧受压支撑与梁连接处的钢板发生平面外屈曲，支撑劈裂，在该级荷载受拉过程中，右侧支撑上端节点处的螺栓被逐个剪断，右侧支撑完全退出工作(图7).随后的加载过程中，左侧支撑除连接钢板处发生了轻微屈曲外，基本完好，而左柱脚、梁左端裂缝开展明显，结构承载力逐渐下降，直至加载结束.

a支撑钢板屈曲b支撑劈裂

图7对照组隅撑框架结构破坏模式

Fig.7Failure mode of regular frame with knee-brace

2.4加固组隅撑框架结构

在柱底、梁端木材劈裂控制方面，加固效果与加固组纯框架一致，梁柱节点得到了较好的保护.加固组隅撑框架结构的破坏均是由支撑构件失效导致的，表现为支撑节点的破坏，即支撑连接钢板屈曲、支撑劈裂和支撑螺栓剪断，因此2种加固效果基本一致，仅在失效位移和极限承载力方面略有差异.

3试验结果与分析

3.1滞回曲线和主要力学性能参数

框架在反复荷载作用下的滞回曲线可以反映结构的整体抗震性能，各试件的滞回曲线及骨架曲线如图8所示.通过平均骨架曲线(正骨架曲线与负骨架曲线的绝对值取平均值)确定各结构的峰值荷载Ppeak及相应峰值位移Δpeak、结构破坏时的极限位移Δu及相应的极限荷载Pu.通过基于能量等效的理想弹塑性(EEEP)方法[15]，定义结构的屈服荷载Pyield、屈服位移Δyield.各试件主要力学性能参数如表4所示，定义结构的弹性阶段刚度Ke=Pyield/Δyield.

图8滞回曲线及骨架曲线

Fig.8Hysteresis and envelope

表4中对照组纯框架结构、加固组隅撑框架结构的力学性能参数分别取2个试件的平均值进行评价，从图8、表4中可以看出：

(1)各试件的滞回曲线都表现出捏拢现象，这是螺栓连接梁柱式木结构的特点，是因为在反复荷载作用下，螺栓与木材相互挤压使木材出现顺纹、横纹方向的永久变形，导致连接节点在受力时发生滑移.

(2)加固组纯框架结构承载力.对照组纯框架结构的承载力为55.0 kN；FRP加固纯框架结构承载力为60.3 kN，自攻螺钉加固纯框架承载力为69.0 kN，分别为对照组纯框架结构承载力的110%和125%，说明两种加固方法均可以保证结构承载能力的恢复；需要特别指出的是，加固组纯框架在达到位移失效限值250 mm时，均未表现出明显的屈服，结构承载力仍有一定的提升空间.

(3)加固组纯框架结构弹性阶段刚度.对照组纯框架结构的弹性阶段刚度为0.35 kN·mm-1；FRP加固纯框架结构弹性阶段刚度为0.25 kN·mm-1，为对照组纯框架结构的71%，这是因为节点区域包裹FRP难以形成预紧作用，只能被动限制木材开裂，并不能修复结构的初始损伤而提高弹性阶段刚度；自攻螺钉则是通长植入节点区域，螺纹对木材有预拉紧作用，使框架结构的弹性阶段刚度恢复，并有一定的提升，为0.40 kN·mm-1.

(4)对照组隅撑框架结构的承载力是对照组纯框架结构的2.4倍，弹性阶段刚度是对照组纯框架结构的2.5倍，因此，鉴于木结构梁柱节点难以保证刚接的情况，在木结构框架中设置隅撑构件，既能兼顾建筑使用空间，又可以达到改善结构抗侧力性能的目的.

(5)加固组隅撑框架结构承载力.FRP加固隅撑框架结构承载力为122.9 kN，自攻螺钉加固隅撑框架承载力为116.9 kN，与对照组纯框架结构相比，分别为其的2.2倍和2.1倍，加固效果良好；与对照组隅撑框架结构相比，承载力略低，为它的94%和89%.

(6)加固组隅撑框架结构弹性阶段刚度.FRP加固隅撑框架结构弹性阶段刚度为0.75 kN·mm-1，自攻螺钉加固隅撑框架结构为0.71 kN·mm-1，两者分别为对照组纯框架结构的2.1倍和2.0倍，对受损结构抗侧刚度的补强有明显的效果；与对照组隅撑框架结构相比，弹性阶段刚度为它的85%和80%.

(7)综上分析，FRP加固方法和自攻螺钉加固方法均可以有效地恢复受损梁柱式木结构的抗侧承载力，基于本文的加固尺寸规格，两种方法恢复能力相近；FRP属于外露包裹保护，自攻螺钉则具有内置拉紧作用，在工程应用中可以根据建筑构造和防火要求等条件分类采用；在修复受损的梁柱式木结构框架时，采用节点区域加固并增设隅撑，可以显著地补强结构的抗侧性能.

表4　试件主要力学性能参数

3.2刚度退化

为反映结构在反复荷载作用下结构的刚度，以割线刚度来表示结构的有效刚度[16].第i次有效刚度定义如下：

(1)

各试件在反复荷载下的有效刚度曲线如图9所示，从图9中可以看出：

(1)纯框架结构刚度退化.FRP加固纯框架的初始刚度最高，这是因为节点区域包裹碳纤维布时，涂刷的胶黏剂有部分渗入了螺栓和钢板的缝隙，对节点的刚度起到了一定的增强作用，随着侧向位移的增加，硬化的胶黏剂不断碎裂，FRP加固纯框架的有效刚度速度下降；在试验中期，自攻螺钉加固纯框架的有效刚度始终高于对照组纯框架，同时FRP加固框架的有效刚度则低于对照组纯框架，这也印证了前文的分析，即通长植入自攻螺钉具有主动拉紧作用，而包裹FRP则属于被动限制开裂，纯框架的有效刚度主要由节点刚度决定，因此这种加固差异也反映在有效刚度曲线上.

(2)隅撑框架结构刚度退化.隅撑框架的刚度主要由支撑构件决定，加固组试件的支撑是现场开孔开槽安装，在精度上逊于工厂预制的对照组试件，这也反映在加固组试件的初始刚度变异性较大；随着试验加载的进行，加固组支撑的孔槽经过挤压，受力逐渐均匀，有效刚度趋于一致，在试验中期均低于对照组试件；试验后期，支撑构件破坏，各组试件的刚度迅速下降，结构的刚度转为主要由节点刚度决定，与纯框架结构有效刚度曲线一致.

a 纯框架结构有效刚度

b 隅撑框架结构有效刚度

3.3耗能能力

耗能作为衡量结构抗震性能的重要指标，可以用滞回曲线所包围面积的总和来衡量，其综合反映了结构刚度、延性等因素.

每个加载循环的耗能情况如图10所示，从图中可以看出：

(1)梁柱式木结构框架的耗能主要来源于构件之间的摩擦、螺栓的屈服、木材的塑性变形和劈裂；在大位移时结构的耗能显著增加，这是由于梁、柱构件发生了劈裂，释放了大量的弹性应变能，而在同一位移幅值的第2次、第3次循环时，因为没有新的裂缝产生，所以耗能下降明显.

(2)纯框架结构的耗能.加固组节点区域的木材得到增强，在与螺栓相互作用时，螺栓的屈服程度增加，因此加固组的结构耗能始终好于对照组试件；在加载的后期，对照组试件的耗能能力已出现下降的趋势，而加固组试件限制了木材的开裂，螺栓在大位移下可以持续提供屈服耗能.

(3)隅撑框架结构的耗能.试验前、中期，结构的耗能主要由支撑构件中的螺栓屈服提供，因此各组试件的耗能能力基本一致；试验中后期，支撑劈裂退出工作，反映在各组试件在该阶段的能量耗散的剧烈波动；在试验后期，结构的耗能形式与纯框架结构类似，对照组试件的耗能弱于加固组试件.

a 纯框架结构各加载循环耗能

4结论

基于对试验现象的观察以及对试验数据的分析，可以得到以下结论：

(1)本文两种加固方法均对节点处的裂缝开展起到良好的限制作用，梁柱式木结构框架的“弱节点”失效模式得到了有效的改善；FRP和自攻螺钉加固的试件，木材开裂均被控制在第2道加固以内，在工程应用中，宜采用2道或3道加固.

(2)加固组纯框架试件的承载力与对照组纯框架相当；由于受损梁、柱初始损伤的存在，FRP加固纯框架的弹性刚度低于对照组纯框架结构，自攻螺钉有一定的预拉紧作用，结构的弹性刚度有所提高；FRP属于外露包裹保护，自攻螺钉具有内置拉紧作用，在工程应用中可以根据建筑构造和防火要求等条件分类采用.

(3)加固组隅撑框架试件相对于对照组隅撑框架，承载力和刚度得到了恢复；相对于对照组纯框架试件，承载力和刚度有显著的提升；在工程中，针对受损的梁柱式纯框架结构，在节点处进行FRP或自攻螺钉加固并增设隅撑，可以得到良好的效果.

(4)加固组试件相比于对照组试件，耗能能力均得到了恢复；其中纯框架试件，由于节点区域木材得到了加强，从而使螺栓在大位移下可以持续提供屈服耗能，结构的耗能能力有所提升.

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Experimental Study of Reinforcement Methods and Lateral Resistance of Glued-Laminated Timber Post and Beam Structures

XIONG Haibei, LIU Yingyang, YAO Ya, LI Bingyang

(College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：In order to study the lateral resistance of reinforced damaged glued-laminated timber post and beam structures, nine cyclic tests on full-scale one-storey, one-bay timber post and beam construction specimens were conducted, including three regular specimens as the control group and six reinforced specimens as the study group. Two reinforcement methods (wrapping the joints with fiber reinforced polymer (FRP) and implanting self tapping screws in the joints) and two structural systems (simple frame and frame with knee-brace) were considered in the experimental tests. Based on the experimental phenomena and test results, the feasibility of the reinforcement was discussed, the contribution between different methods was evaluated, and the seismic performances of the specimens were studied. The results show that both the two reinforcement methods can restrain the development of crack, and recover the strength, stiffness and energy dissipation capacity, and that the lateral resistance can be improved significantly when the failed timber frame retrofitted by reinforcing the joint and adding knee-brace. This approach can be very practical in engineering.

Key words：glued-laminated timber; timber post and beam structure; reinforcement; fiber reinforced polymer; self tapping screw; cyclic test

收稿日期：2015-06-02

通讯作者：刘应扬(1987—)，男，博士生，主要研究方向为现代木结构. E-mail: 12liuyingyang@tongji.edu.cn

中图分类号：TU366.2

文献标志码：A

第一作者： 熊海贝(1964—)，女，教授，博士生导师，工学博士，主要研究方向为混凝土结构、现代木结构及混合结构的抗震性能.

E-mail: xionghaibei@tongji.edu.cn