許清風

(1. 上海市工程結構新技術重點實驗室，上海 200032；2. 上海市建筑科學研究院(集團)有限公司，上海 200032)

中國傳統(tǒng)建筑多為木結構或磚木結構，常采用圓木柱。經(jīng)過多年使用后，圓木柱常在底端與基礎直接接觸處腐朽。另外，圓木柱還存在裂縫、蟲害等局部損傷。由于圓木柱對結構的安全性能影響大，應予定期維護。近年來，國內(nèi)外已有學者對CFRP加固木柱進行了研究[1]。張大照[2-9]等分別進行了FRP維修加固木柱的試驗研究，研究結果表明，粘貼FRP布能有效約束木柱的橫向變形，顯著提高木柱的延性。另外，張?zhí)煊畹萚10-12]進行了 FRP維修加固舊木柱的試驗研究，研究結果與維修加固普通木柱的研究結果相似?！豆沤ㄖ窘Y構維護與加固技術規(guī)范》(GB 50165-92)[13]規(guī)定的維修加固方法需進行相應更新。許清風等[14]研究了局部受損矩形木柱的維修加固方法。研究表明，局部受損矩形木柱的極限承載力較對比試件有明顯降低；局部受損處用完好順紋木塊替換并用水平向CFRP布包裹后，其受壓承載力和延性性能可恢復。本文作者針對圓木柱易出現(xiàn)局部損傷的特點，進行局部受損圓木柱維修加固方法的試驗研究。

1 試件設計

9根試件由1根圓形原木截取而得，試件高度均為1.2 m。其中C71為對比試件；C72為中間割開，并用結構膠連接；C73為中間割開用結構膠連接，并在接縫處粘貼400 mm寬水平向CFRP布包裹；C80為中間邊緣切開150 mm ×75 mm(高度×深度)的缺口；C81為中間邊緣切開150 mm×80 mm(高度×深度)缺口，順紋木塊采用結構膠填塞；C82為中間邊緣切開150 mm×85 mm(高度×深度)缺口，順紋木塊采用結構膠填塞，并在接縫處粘貼 400 mm寬水平向CFRP布包裹；C83為中間邊緣切開 150 mm×175 mm(高度×深度)缺口；C84為中間邊緣切開150 mm×185 mm(高度×深度)缺口，順紋木塊采用結構膠填塞；C85為中間邊緣切開150 mm×195 mm(高度×深度)缺口，順紋木塊采用結構膠填塞，并在接縫處粘貼400 mm寬水平向CFRP布包裹。

試件特征及尺寸見圖1。

2 試驗概況

2.1 試驗材料

本次試驗選用花旗松(Douglas Fir, Pseudotsuga menziesii)，材性試驗測得其順紋抗壓強度為35.5MPa，密度為510 kg/m3，含水率為15.9%。選用某廠生產(chǎn)的CFC2-2型(300g)CFRP布，實測抗拉強度標準值為3515 MPa，受拉彈性模量為242 GPa，伸長率為1.7%。選用吳江八都得力建筑結構膠廠生產(chǎn)的DL-JGN型建筑結構粘結膠，其鋼-鋼抗拉強度大于 33 MPa，鋼-鋼抗剪強度大于18 MPa。

2.2 應變片布置

2.3 加載制度

試件在10 MN壓剪試驗機上進行抗壓試驗，采用DH3817動態(tài)應變測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。正式試驗前先進行預壓以減少系統(tǒng)誤差。試驗采用連續(xù)均勻加載方式，加載速度為0.02 mm/s，當荷載下降至極限荷載的75%時，試驗結束。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗現(xiàn)象描述

對比試件C71在加載過程中初始裂縫繼續(xù)開展，最后貫穿整個圓形截面破壞。C72隨著荷載增加，原有裂縫繼續(xù)向木柱中心發(fā)展，并產(chǎn)生沿徑向和年輪的裂縫，端部木纖維皺褶，試件破壞。試件破壞時中間截斷處結構膠層無明顯破壞，試件保持整體。C73隨著荷載增加，試件中下段出現(xiàn)新的較寬裂縫，原有裂縫亦有明顯開展；CFRP布包裹范圍內(nèi)無明顯裂縫發(fā)展跡象。

C80隨著荷載增加，試件在缺口上部原有裂縫處破壞，裂縫深度和寬度均明顯變大，而缺口上下及周邊無明顯破壞，試件呈明顯的偏壓特性。隨著荷載增加，C81在填塞木塊對側出現(xiàn)2條較寬的豎向裂縫，試件破壞時填塞木塊無明顯破壞或裂縫。C82隨著荷載增加 CFRP布包裹區(qū)域以上發(fā)生明顯扭曲變形破壞，破壞時CFRP布包裹區(qū)域無明顯破壞。

圖1 試件尺寸及應變片布置圖(單位：mm)Fig.1 Size and strain gauge location of specimens

C83隨著荷載增加，試件缺口上部原有裂縫明顯變寬，缺口邊緣出現(xiàn)一條較寬的豎向裂縫，缺口上下邊由平行變?yōu)槊黠@偏位，試件呈典型的偏心受壓特征。隨著荷載增加，C84原有裂縫繼續(xù)開展，寬度和長度明顯增長，試件破壞。C85隨著荷載增加，CFRP布包裹區(qū)域以上原有裂縫附近出現(xiàn)1條新的豎向裂縫，試件破壞時CFRP布包裹區(qū)域無明顯破壞。

典型試件破壞特征見圖2。

3.2 主要試驗結果

主要試驗結果匯總見表1。

3.2.1 應力—位移曲線

其次，各院校還要結合自身實際情況進行校內(nèi)實訓基地的建立，且要結合學生不同專業(yè)的學習、發(fā)展需求來進行創(chuàng)新建設，以確保學生可以獲得更適合的知識應用、實踐鍛煉機會，促進學生實踐能力的全面提升。實訓基地在實際建設過程中，要將職場仿真能力視為重要導向，促進實訓基地建設科學、合理性的不斷提升，進行科學、完善管理模式的科學構建。同時，在校企合作過程中，雙方還要結合具體情況來進行相關合作協(xié)議、聯(lián)合培養(yǎng)協(xié)議的簽訂，以此來不斷優(yōu)化教學管理模式，為雙方的高效、創(chuàng)新發(fā)展創(chuàng)造良好條件。

為消除試件截面尺寸不同帶來的影響，對比各試件的應力-位移曲線和極限應力。各試件應力-位移曲線對比見圖3，極限應力對比見圖4。

圖2 試件的典型破壞特征Fig.2 Failure mode of typical specimens

表1 主要試驗結果Table 1 Main experimental results

由表1和圖3～4可知：(1) 中間截斷后用結構膠粘結的C72的極限應力有所降低，為對比試件極限應力的89%；中間截斷結構膠粘結再用水平向CFRP布包裹的C73的極限應力恢復到對比試件的112%。(2)在中部邊緣開高度為150 mm、深度為D/4(D為較小端直徑)切口的 C80(截面損失 19.5%)的極限應力明顯下降，僅為對比試件的78%(承載力損失22%)；僅用同質順紋木塊填補的試件C81的極限應力恢復到對比試件的115%；用水平向CFRP布包裹的試件C82的極限承載力恢復到對比試件的109%。(3) 在中部邊緣開高度為150 mm、深度為D/2的C83(截面損失50%)的極限應力顯著下降，僅為對比試件的43%(承載力損失 57%)；僅用同質順紋木塊填補的試件 C84的極限應力恢復到對比試件的101%；用水平向CFRP布包裹的試件C82的極限承載力恢復到對比試件的100%。

3.2.2 延性系數(shù)

本文根據(jù)實測的σ-Δ曲線，用能量等效面積法計算試件的名義屈服位移Δy[15]，再用荷載下降至0.85σu的極限位移Δu計算各試件的延性系數(shù)μΔ，計算結果見表1和圖5。

由表1和圖5可知：除中間切開的C72延性系數(shù)較對比試件略有增加(增加9%)外，其余試件的延性系數(shù)均略有降低。

3.2.3 應變分析

C71～C73的平均豎向應變對比見圖6。

圖3 試件σ-Δ曲線對比圖Fig.3 σ-Δ curves of specimens

圖5 延性系數(shù)對比圖Fig.5 Ductility factor of specimens

圖6 C71～C73平均豎向應變對比圖Fig.6 Mean vertical strain curves of C71-C73

由圖6可知：中間切開僅用結構膠連接的C72初始剛度較對比試件有所減小，但在接縫處粘貼一層水平向CFRP布包裹后的C73初始剛度較對比試件略有增大；在相同應力作用下，C72的平均豎向應變最大、C73的平均豎向應變最小。

C80～C82的豎向應變變化見圖7，平均豎向應變對比見圖8。C80～C82的水平應變變化見圖9。

由圖7～9可知：C80部分位置豎向應變?yōu)槔瓚?，部分位置水平應變?yōu)閴簯儯嚰实湫偷钠珘禾匦?。采用結構膠用順紋木塊填塞后，C81全截面均受壓；但由于結構膠剛度較小，使填塞木塊的豎向應變略小于木柱，木柱和木塊水平應變存在一定差距。采用結構膠用順紋木塊填塞并在接縫處粘貼一層水平向CFRP布后，C82全截面呈軸壓特征，填塞木塊和木柱的豎向應變和水平應變差異均很小。

圖7 C80～C82豎向應變圖Fig.7 Vertical strain curves of C80-C82

圖8 C80～C82平均豎向應變對比圖Fig.8 Mean vertical strain curves of C80-C82

圖9 C80～C82水平應變圖Fig.9 Horizontal strain curves of C80-C82

C83～C85的豎向應變變化見圖 10所示，平均豎向應變對比見圖11所示；水平應變變化見圖12所示。

由圖10～12可知，C83的豎向應變和水平應變變化均表明其呈典型的大偏壓特性。采用結構膠用順紋木塊填塞后，C84全截面均受壓；但由于結構膠剛度較小，使填塞木塊的豎向應變略小于木柱，木柱和木塊水平應變存在一定差距。采用結構膠用順紋木塊填塞并在接縫處粘貼一層水平向CFRP布后，C85木柱的豎向應變略小于同質順紋填塞木塊的豎向應變，但總體趨于均勻；加載初期 C85木柱的水平應變小于填塞木塊的水平應變，在加載后期，兩者趨于一致。

圖10 C83～C85豎向應變圖Fig.10 Vertical strain curves of C83-C85

圖11 C83～C85平均豎向應變對比圖Fig.11 Mean vertical strain curves of C83-C85

圖12 C83～C85水平應變圖Fig.12 Horizontal strain curves of C83～C85

4 結論

(1) 隨著局部損傷圓木柱有效截面的減小，其受力性能受到明顯影響，截面損失分別為20%和50%時，圓木柱的受壓承載力分別降低22%和57%。截面受損圓木柱的受力性能也將發(fā)生明顯改變，由軸心受壓破壞轉變?yōu)槠氖軌浩茐摹?/p>

(2) 對底端受損圓木柱進行底部更換并在接縫處用一層水平向CFRP布包裹后，圓木柱的受壓承載力可恢復。

(3) 對局部受損圓木柱進行局部同質順紋木塊替換并在接縫處用一層水平向CFRP布包裹后，圓木柱的受壓承載力可恢復，且各側面中心的豎向應變和水平應變均趨于一致。

(4) 采用同質順紋木塊局部替換并在接縫處用水平向CFRP布包裹維修加固局部受損圓木柱的效果較好，可應用于傳統(tǒng)木結構的維修加固工程實踐。

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