国内FRP增强木梁研究的现状与展望★

杨 友 龙

(韩山师范学院，广东 潮州 521041)

0 引言

木结构具有自重轻、节能环保、施工方便等优点，被日本、欧洲和北美等国家和地区广泛使用[1]。我国传统民居、寺庙乃至宫殿也大量的采用木结构作为主体结构形式[2]。作为纤维性材料，天然木材有弹性模量低、徐变大、易老化和木纤维方向性敏感等缺点，且不耐台风、雨水侵蚀、虫蚀等破坏性环境因素。在受拉区域存在槽朽、虫蚀等缺陷的木梁的承载力显著低于健康木梁，在载荷作用下，受压区域边缘纤维的应变在远没有达到受压极限应变之前，受拉区域边缘纤维即发生拉断破坏；此种破坏为脆性破坏，严重消弱了整体结构的稳定性和抗震性能[3]。因此，木结构特别是木梁构件的增强需求较大。

纤维增强复合材料(FRP)因其轻质、高强、耐腐蚀、施工方便快捷、修复增强效果好等特性，已经成为常用的增强材料[4-6]。使用FRP增强木梁可以充分利用FRP的抗拉强度高的特点，显著提高增强梁的承载力和刚度。增强用FRP材料主要有碳纤维复合材料(CFRP)、玻璃纤维复合材料(GFRP)和芳纶复合材料(AFRP)，近年来玄武岩复合材料(BFRP)亦有少量使用。我国建筑工程每年使用的碳纤维及其复合材料近年来保持在千吨水平[7]。

FRP增强木梁一般是采用在木梁受拉面粘贴FRP布(见图1)，或在木梁边缘开槽沟布置FRP筋。

1 国内FRP增强木梁研究的现状

国外将FRP应用于木梁增强的研究最早见于1964年，Wangard采用单向GFRP粘贴于不同种类木梁的受拉面，其后Theakson，Spaun和Plevris等人做了进一步的研究。他们的研究均显示增强梁的承载力得到提高，且防止了木梁的脆性破坏[8-11]。国内此方面的研究开始于2005年之后。以下分别考察国内FRP增强木梁的理论研究和试验研究现状。

1.1 FRP增强木梁的理论研究

2005年，王锋等人对预应力FRP增强木梁做了理论计算，其计算表明对纤维材料施加预应力能够显著减小构件的变形，在增强梁跨中大部分区段内的粘结应力分布与按完全组合截面计算得到的应力基本相同，在锚固区段，粘结应力急剧增大，应当采取措施加强锚固以防止粘结失效[12]。

2006年，杨会峰和刘伟庆对FRP增强胶合木梁的弯曲变形做了解析分析，给出了增强梁在简支受力状况下的变形解析解，并与已有的试验结果进行对比，显示模型具有较高的精度，可以模拟梁的全过程变形与刚度变化[13]。2007年，他们对FRP增强胶合木梁的粘结剪应力做了理论计算，将计算得到的最大粘结剪应力与有限元分析方法的计算结果比较，相对误差在5%以内[14]。

2012年，邵劲松等人推导了FRP增强木梁的受弯承载力计算公式，并与36根木梁的抗弯试验承载力比较，计算结果吻合良好[15]。

2013年，吴郦威等人对FRP增强含缺陷梁的理论分析表明：在木梁受拉侧沿轴向粘贴CFRP布的增强梁的刚度高于侧面粘贴的增强梁；增强梁的挠度随CFRP布的厚度和弹性模量的增加而减小；最优情况下，CFRP增强完全消除了裂缝因素[16]。

2019年，欧阳煜等研究了含初始裂纹木梁经FRP增强后的稳定性,通过数值求解方程,分析了CFRP布含量、裂纹深度和位置以及数量等因素对增强梁的极限承载力的影响,结果表明：CFRP增强可明显减小裂纹深度和数量对极限承载力的影响,且在裂纹处弯矩较大或裂纹较深时增强效应更显著；增强梁的极限承载力在CFRP布含量达到一定值后,继续增加CFRP布含量对极限承载力提高并不明显[17]。

1.2 FRP增强木梁的试验研究

1.2.1FRP片材和板材增强木梁的试验研究

2007年，杨会峰等人对FRP增强杨木胶合梁的研究显示，FRP增强可以分别提高受弯极限承载力和刚度达18%～63%和32%～88%，且增强梁的破坏形式大多表现为塑性受压破坏[18]。

2008年，杨会峰等人研究了FRP增强原木梁(水杉和樟子松)的抗弯性能，结果表明：增强梁的极限承载力和刚度分别提高达17.7%～77.3%和10.9%～105.0%；FRP增强可避免或延缓木梁的受拉脆性破坏，降低木材缺陷对受弯性能的影响，充分利用木材的抗压强度并可提高构件的延性[19]。

2010年，王全凤等人采用GFRP增强方案，对9根矩形截面木梁进行受弯试验研究，其研究表明在木梁受拉区粘贴GFRP是提高木梁抗弯性能的有效方法[20]。

2011年，淳庆等人采用碳—芳混杂纤维布增强松木和杉木木梁，结果表明增强梁的抗弯承载力分别提高18.1%～62.0%(松木)和7.7%～29.7%(杉木)，刚度分别提高13%～21%(松木)和6%～10%(杉木)[21]。

2012年，邵劲松等人对FRP增强木梁的受弯试验显示：在木梁受拉区布置FRP可提高木梁受弯承载力30.61%；破坏形态表现为受压区木纤维褶皱失稳、受拉区木纤维和FRP增强层被拉断；木梁受压区设置FRP增强层对受弯承载力的影响与增强的方式有关，受压区横向缠绕FRP增强效果最好，而沿梁纵向增强的效果并不明显[22]。

2014年，陆伟东等人研究了竖嵌CFRP板增强胶合木梁的受弯性能，其研究表明竖嵌CFRP板条层板增强的胶合木梁的受弯承载力及极限变形优于传统横嵌CFRP板的增强方式，受弯承载力和刚度分别比未增强梁提高了34.2%～52.3%和8.0%～28.5%[23]。

2014年，塞尔江等人采用CFRP布增强新疆杨木梁，对11根矩形截面新疆杨木梁的抗弯静力试验显示在受拉区粘贴CFRP布是提高抗弯性能的有效方法[24]。

2019年，朱兆阳等人研究了FRP板隐蔽式增强古建筑残损木梁的抗弯性能，结果表明增强梁的抗弯极限承载力、抗弯刚度较未增强梁均有显著提升，最优增强木梁的抗弯性能与健康梁相当[25]。

1.2.2FRP筋增强木梁的试验研究

2009年，许清风和朱雷采用内嵌CFRP筋增强老化损伤旧木梁的试验研究表明:内嵌CFRP筋增强梁可提高受弯承载力；增强梁的破坏模式为延性受压破坏，而未增强梁为脆性破坏[26]。

2013年，淳庆等人对内嵌CFRP筋增强木梁的抗弯试验结果表明：增强梁的抗弯承载力提高幅度分别为9.1%～16.9%(松木)和5.7%～21.6%(杉木)，延性也高于未增强梁[27]。

1.2.3FRP抗剪切增强木梁的试验研究

截至目前，FRP增强木梁受剪性能的研究较少。木材为各向异性材料，其应力分布、剪切破坏形态以及木梁孔洞附近的应力分布形式不同于混凝土梁。FRP抗剪切增强木梁主要应对木材顺纹抗剪能力较弱的因素，常用增强方法是在木梁剪跨区的两侧粘贴FRP增强层和设置FRP抗剪栓钉。

2011年，淳庆和潘建伍研究了经碳—芳混杂纤维布增强的松木和杉木梁的抗剪性能，结果表明，松木和杉木增强梁的抗剪承载力分别比未增强梁提高6.9%～109.6%和11.9%～103.6%[28]。

2 对目前研究的评述

2.1 缺乏对本构模型的研究成果

多数研究者计算FRP增强木梁的理论承载力时，木材的本构模型选择Bazan于1980年提出的双线性弹塑性模型(见图2)[29]。Bazan模型认为木纤维受拉时表现为线弹性，受压时在达到最大压应力前应力应变保持线弹性关系，达到最大压应力后应力线性降低而应变增长。截至目前，笔者尚未见到研究者提出新的本构模型。在试验中，经过FRP增强后，增强梁受拉侧应变显著降低，木梁由增强前的木纤维受拉破坏转变为受压区破坏，表现为木纤维的压皱褶和错动撕裂，此时增强梁是否满足平截面假定，需要更多的试验数据支持。而目前所进行的试验研究，一般均是在梁底和梁顶两面贴应变片，而缺乏沿横截面的应变测量数据，缺乏对平截面假定的验证。

2.2 试件数量偏少

笔者统计了19项对FRP增强木梁所作的试验研究，试件数量从4个到42个不等，平均值为13.8。木材属于天然材料，具有内在的不均匀性，即使是无裂缝虫蚀等损伤，也可能隐含各种微小缺陷，导致材料性能变异性比较大。国外同类的试验研究选取的试件一般在数十件以上，更有超过200个试件的。因此，目前国内此方面的试验研究选取的试件数量偏低。

2.3 缺乏长期性能研究

目前对FRP增强木梁的长期性能的研究报道很少，更缺乏在自然环境、恶劣环境中的长期性能研究。实践中，只能参考复合材料研究领域的一些长期试验结果，比如危成英等人对不同地区自然环境下CFRP复合材料的老化性能的试验研究等[30]。

3 进一步研究的建议

笔者认为，未来可以增加如下几个方面的研究：

1)结合新技术和新材料的发展，采用FRP型材、BFRP新材料以及施加预应力等新方法增强木梁的研究。

2)FRP增强木梁在自然环境、恶劣环境中的长期性能(疲劳和徐变等)的研究。

3)增加试验研究的试件数量，增加木材的本构模型研究。

4)针对不同类型的初始缺陷，如槽朽、虫蚀、裂纹和木节等，对FRP增强含缺陷木梁的研究等。