局部损伤圆木柱维修加固方法的试验研究

许清风^{1, 2}

(1. 上海市工程结构新技术重点实验室，上海 200032；

2. 上海市建筑科学研究院(集团)有限公司，上海 200032)

摘要：对9根圆木柱采用局部顺纹木块替换并在接缝处用水平向CFRP布包裹进行维修加固研究。研究结果表明：不进行维修加固的受损圆木柱的极限承载力明显降低，降低幅度大于其截面损失幅度，且破坏呈明显的偏心受力特征；局部受损处用完好顺纹木块替换并用水平向CFRP布包裹后，其受压承载力可完全恢复；顺纹木块局部替换并用水平向CFRP布包裹维修加固局部受损圆木柱是行之有效的方法，可用于木结构维修加固的工程实践。

关键词：圆木柱；维修加固；局部损伤；承载力

中图分类号：TU366.2          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)04-1506-08

Experimental study of strengthening methods of partially-damaged circular wood columns

XU Qing-feng^{1, 2}

(1. Shanghai Key Laboratory of New Technology Research on Engineering Structure, Shanghai 200032, China;

2. Shanghai Research Institute of Building Sciences (Group) Co. Ltd., Shanghai 200032, China)

Abstract: A total of 9 partially-damaged circular wood columns repaired and strengthened with new wood blocks parallel to the wood grains and wrapped with CFRP stripes were experimentally studied. The results show that the ultimate compressive strength of partially-damaged circular wood columns is significantly decreased in comparison with the control specimen, the range of decrease is larger than the loss of the cross-section, and the failure mode would change from central axial compression to eccentric compression. After replacing the damaged area with wood blocks parallel to the wood grains and wrapping up with CFRP stripes, the load-bearing capacity would be restored. Combination of new wood blocks parallel to the wood grains and CFRP stripes is effective for repairing and strengthening partially-damaged circular wood columns.

Key words: circular wood column; repair and strengthen; partially-damaged; load-bearing capacity

中国传统建筑多为木结构或砖木结构，常采用圆木柱。经过多年使用后，圆木柱常在底端与基础直接接触处腐朽。另外，圆木柱还存在裂缝、虫害等局部损伤。由于圆木柱对结构的安全性能影响大，应予定期维护。近年来，国内外已有学者对CFRP加固木柱进行了研究^[1]。张大照^[2-9]等分别进行了FRP维修加固木柱的试验研究，研究结果表明，粘贴FRP布能有效约束木柱的横向变形，显著提高木柱的延性。另外，张天宇等^[10-12]进行了FRP维修加固旧木柱的试验研究，研究结果与维修加固普通木柱的研究结果相似。《古建筑木结构维护与加固技术规范》(GB 50165-92)^[13]规定的维修加固方法需进行相应更新。许清风等^[14]研究了局部受损矩形木柱的维修加固方法。研究表明，局部受损矩形木柱的极限承载力较对比试件有明显降低；局部受损处用完好顺纹木块替换并用水平向CFRP布包裹后，其受压承载力和延性性能可恢复。本文作者针对圆木柱易出现局部损伤的特点，进行局部受损圆木柱维修加固方法的试验研究。

1  试件设计

9根试件由1根圆形原木截取而得，试件高度均为1.2 m。其中C71为对比试件；C72为中间割开，并用结构胶连接；C73为中间割开用结构胶连接，并在接缝处粘贴400 mm宽水平向CFRP布包裹；C80为中间边缘切开150 mm ×75 mm(高度×深度)的缺口；C81为中间边缘切开150 mm×80 mm(高度×深度)缺口，顺纹木块采用结构胶填塞；C82为中间边缘切开150 mm×85 mm(高度×深度)缺口，顺纹木块采用结构胶填塞，并在接缝处粘贴400 mm宽水平向CFRP布包裹；C83为中间边缘切开150 mm×175 mm(高度×深度)缺口；C84为中间边缘切开150 mm×185 mm(高度×深度)缺口，顺纹木块采用结构胶填塞；C85为中间边缘切开150 mm×195 mm(高度×深度)缺口，顺纹木块采用结构胶填塞，并在接缝处粘贴400 mm宽水平向CFRP布包裹。

试件特征及尺寸见图1。

2  试验概况

2.1  试验材料

本次试验选用花旗松(Douglas Fir, Pseudotsuga menziesii)，材性试验测得其顺纹抗压强度为35.5MPa，密度为510 kg/m³，含水率为15.9%。选用某厂生产的CFC2-2型(300g)CFRP布，实测抗拉强度标准值为3515 MPa，受拉弹性模量为242 GPa，伸长率为1.7%。选用吴江八都得力建筑结构胶厂生产的DL-JGN型建筑结构粘结胶，其钢-钢抗拉强度大于33 MPa，钢-钢抗剪强度大于18 MPa。

2.2  应变片布置

为了解试件受力过程中的变形情况，在试件四侧中心位置布置竖向和水平应变片；在填塞木块上粘贴竖向和水平应变片，以了解填补木块的加固有效性。试件应变片1~16号布置见图1。

2.3  加载制度

试件在10 MN压剪试验机上进行抗压试验，采用DH3817动态应变测量系统进行数据采集。正式试验前先进行预压以减少系统误差。试验采用连续均匀加载方式，加载速度为0.02 mm/s，当荷载下降至极限荷载的75%时，试验结束。

3  试验结果与分析

3.1  试验现象描述

对比试件C71在加载过程中初始裂缝继续开展，最后贯穿整个圆形截面破坏。C72随着荷载增加，原有裂缝继续向木柱中心发展，并产生沿径向和年轮的裂缝，端部木纤维皱褶，试件破坏。试件破坏时中间截断处结构胶层无明显破坏，试件保持整体。C73随着荷载增加，试件中下段出现新的较宽裂缝，原有裂缝亦有明显开展；CFRP布包裹范围内无明显裂缝发展迹象。

C80随着荷载增加，试件在缺口上部原有裂缝处破坏，裂缝深度和宽度均明显变大，而缺口上下及周边无明显破坏，试件呈明显的偏压特性。随着荷载增加，C81在填塞木块对侧出现2条较宽的竖向裂缝，试件破坏时填塞木块无明显破坏或裂缝。C82随着荷载增加CFRP布包裹区域以上发生明显扭曲变形破坏，破坏时CFRP布包裹区域无明显破坏。

图1  试件尺寸及应变片布置图(单位：mm)

Fig.1  Size and strain gauge location of specimens
 

C83随着荷载增加，试件缺口上部原有裂缝明显变宽，缺口边缘出现一条较宽的竖向裂缝，缺口上下边由平行变为明显偏位，试件呈典型的偏心受压特征。随着荷载增加，C84原有裂缝继续开展，宽度和长度明显增长，试件破坏。C85随着荷载增加，CFRP布包裹区域以上原有裂缝附近出现1条新的竖向裂缝，试件破坏时CFRP布包裹区域无明显破坏。

典型试件破坏特征见图2。

3.2  主要试验结果

主要试验结果汇总见表1。

3.2.1  应力—位移曲线

为消除试件截面尺寸不同带来的影响，对比各试件的应力-位移曲线和极限应力。各试件应力-位移曲线对比见图3，极限应力对比见图4。
 

图2  试件的典型破坏特征

Fig.2  Failure mode of typical specimens
 

表1  主要试验结果

Table 1  Main experimental results

由表1和图3~4可知：(1) 中间截断后用结构胶粘结的C72的极限应力有所降低，为对比试件极限应力的89%；中间截断结构胶粘结再用水平向CFRP布包裹的C73的极限应力恢复到对比试件的112%。(2) 在中部边缘开高度为150 mm、深度为D/4(D为较小端直径)切口的C80(截面损失19.5%)的极限应力明显下降，仅为对比试件的78%(承载力损失22%)；仅用同质顺纹木块填补的试件C81的极限应力恢复到对比试件的115%；用水平向CFRP布包裹的试件C82的极限承载力恢复到对比试件的109%。(3) 在中部边缘开高度为150 mm、深度为D/2的C83(截面损失50%)的极限应力显著下降，仅为对比试件的43%(承载力损失57%)；仅用同质顺纹木块填补的试件C84的极限应力恢复到对比试件的101%；用水平向CFRP布包裹的试件C82的极限承载力恢复到对比试件的100%。

3.2.2  延性系数

本文根据实测的σ-Δ曲线，用能量等效面积法计算试件的名义屈服位移Δ_y^[15]，再用荷载下降至0.85σ_u的极限位移Δ_u计算各试件的延性系数μ_Δ，计算结果见表1和图5。

由表1和图5可知：除中间切开的C72延性系数较对比试件略有增加(增加9%)外，其余试件的延性系数均略有降低。

3.2.3  应变分析

C71~C73的平均竖向应变对比见图6。

图3  试件σ-Δ曲线对比图

Fig.3  σ-Δ curves of specimens

图4  极限应力对比图

Fig.4  Ultimate stress of specimens

图5  延性系数对比图

Fig.5  Ductility factor of specimens

图6  C71~C73平均竖向应变对比图

Fig.6  Mean vertical strain curves of C71-C73

由图6可知：中间切开仅用结构胶连接的C72初始刚度较对比试件有所减小，但在接缝处粘贴一层水平向CFRP布包裹后的C73初始刚度较对比试件略有增大；在相同应力作用下，C72的平均竖向应变最大、C73的平均竖向应变最小。

C80~C82的竖向应变变化见图7，平均竖向应变对比见图8。C80~C82的水平应变变化见图9。

由图7~9可知：C80部分位置竖向应变为拉应变，部分位置水平应变为压应变，试件呈典型的偏压特性。采用结构胶用顺纹木块填塞后，C81全截面均受压；但由于结构胶刚度较小，使填塞木块的竖向应变略小于木柱，木柱和木块水平应变存在一定差距。采用结构胶用顺纹木块填塞并在接缝处粘贴一层水平向CFRP布后，C82全截面呈轴压特征，填塞木块和木柱的竖向应变和水平应变差异均很小。

图7  C80~C82竖向应变图

Fig.7  Vertical strain curves of C80-C82

图8  C80~C82平均竖向应变对比图

Fig.8  Mean vertical strain curves of C80-C82

图9  C80~C82水平应变图

Fig.9  Horizontal strain curves of C80-C82

C83~C85的竖向应变变化见图10所示，平均竖向应变对比见图11所示；水平应变变化见图12所示。

由图10~12可知，C83的竖向应变和水平应变变化均表明其呈典型的大偏压特性。采用结构胶用顺纹木块填塞后，C84全截面均受压；但由于结构胶刚度较小，使填塞木块的竖向应变略小于木柱，木柱和木块水平应变存在一定差距。采用结构胶用顺纹木块填塞并在接缝处粘贴一层水平向CFRP布后，C85木柱的竖向应变略小于同质顺纹填塞木块的竖向应变，但总体趋于均匀；加载初期C85木柱的水平应变小于填塞木块的水平应变，在加载后期，两者趋于      一致。

图10  C83~C85竖向应变图

Fig.10  Vertical strain curves of C83-C85

图11  C83~C85平均竖向应变对比图

Fig.11  Mean vertical strain curves of C83-C85

图12  C83~C85水平应变图

Fig.12  Horizontal strain curves of C83~C85

4  结论

(1) 随着局部损伤圆木柱有效截面的减小，其受力性能受到明显影响，截面损失分别为20%和50%时，圆木柱的受压承载力分别降低22%和57%。截面受损圆木柱的受力性能也将发生明显改变，由轴心受压破坏转变为偏心受压破坏。

(2) 对底端受损圆木柱进行底部更换并在接缝处用一层水平向CFRP布包裹后，圆木柱的受压承载力可恢复。

(3) 对局部受损圆木柱进行局部同质顺纹木块替换并在接缝处用一层水平向CFRP布包裹后，圆木柱的受压承载力可恢复，且各侧面中心的竖向应变和水平应变均趋于一致。

(4) 采用同质顺纹木块局部替换并在接缝处用水平向CFRP布包裹维修加固局部受损圆木柱的效果较好，可应用于传统木结构的维修加固工程实践。

参考文献：

[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 Qing-feng, ZHU Lei. State-of-the-art of wood structure strengthened with FRP[J]. Industrial Construction, 2007, 37(9): 104-108.

[2] 张大照. CFRP布加固修复木柱梁性能研究[D]. 上海: 同济大学建筑工程系, 2003: 20-40.
ZHANG Da-zhao. Performance research on wood beams and columns reinforced and rehabilitated by CFRP sheets[D]. Shanghai: Tongji University. Department of Building Engineering, 2003: 20-40.

[3] 马建勋, 胡平, 蒋湘闽, 等. 碳纤维布加固木柱轴心受压性能试验研究[J]. 工业建筑, 2005, 35(8): 40-44.
MA Jian-xun, HU Ping, JIANG Xiang-min, et al. Experimental research on axial compressive behaviors for wood columns strengthened with CFRP[J]. Industrial Construction, 2005, 35(8): 40-44.

[4] 姚江峰, 赵宝成, 史丽院, 等. 复合纤维对圆形木柱抗压承载能力的加固试验研究[J]. 苏州科技学院学报, 2006, 19(4): 1-4.
YAO Jiang-feng, ZHAO Bao-cheng, SHI Li-yuan, et al., Experimental research on compression behaviors for circular timber column reinforced with advanced glass fiber composites[J]. Journal of University of Science and Technology of Suzhou, 2006, 19(4): 1-4.

[5] 周钟宏, 刘伟庆. 碳纤维布加固木柱的轴心受压试验研究[J]. 工程抗震和加固改造, 2006, 28(3): 44-48.
ZHOU Zhong-hong, LIU Wei-qing. Experimental study on timber columns strengthened by CFRP subjected to axial compression[J]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting, 2006, 28(3): 44-48.

[6] 朱雷, 许清风. CFRP加固木柱性能的试验研究[J]. 工业建筑, 2008, 38(12): 113-116.
ZHU Lei, XU Qing-feng. Experimental research on behavior of CFRP-reinforced timber columns[J]. Industrial Construction, 2008, 38(12): 113-116.

[7] 朱雷, 许清风, 戴广海, 等. CFRP加固开裂短木柱性能的试验研究[J]. 建筑结构, 2009, 39(11): 101-103.
ZHU Lei, XU Qing-feng, DAI Guang-hai, et al. experimental research on short cracked timber column strengthened with CFRP[J]. Building Structure, 2009, 39(11): 101-103.

[8] 许清风, 朱雷, 贡春成. CFRP加固短木柱的试验研究[J]. 施工技术, 2007, 36(5): 13-15.
XU Qing-feng, ZHU Lei, GONG Chun-cheng. Experimental research on short timber columns strengthened with CFRP[J]. Construction Technology, 2007, 36(5): 13-15.

[9] Taheri F, Nagaraj M, Cheraghi N. FRP-reinforced glulaminated columns[J]. FRP International, 2005, 2(3): 10-12.

[10] 张天宇. CFRP布包裹加固旧木柱轴压性能试验研究[J]. 福州建筑, 2005, 92(2): 49-51.
ZHANG Tian-yu. Experimental research about old timber column wrapped by CFRP sheets[J]. Fujian Architecture & Construction, 2005, 92(2): 49-51.

[11] 李向民, 许清风, 朱雷, 等. CFRP加固旧木柱性能的试验研究[J]. 工程抗震与加固改造, 2009, 31(4): 55-59.
LI Xiang-min, XU Qing-feng, ZHU Lei, et al. Experimental research on CFRP-strengthened old timber columns[J]. Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting, 2009, 31(4): 55-59.

[12] 许清风, 李向民, 朱雷, 等. 旧长木柱加固方法的试验研究[J]. 工程加固, 2007(4): 10-13.
XU Qing-feng, LI Xiang-min, ZHU Lei, et al. Experimental research on strengthening of old slender timber columns[J]. Express of Engineering Reinforcement, 2007(4): 10-13.

[13] GB 50165—92, 古建筑木结构维护与加固技术规范[S].
GB 50165—92, Technical code for maintenance and strengthening of ancient timber buildings[S].

[14] 许清风, 朱雷. CFRP维修加固局部受损木柱的试验研究[J]. 土木工程学报, 2007, 40(8): 41-46.
XU Qing-feng, ZHU Lei. An experimental study on partially-damaged wood columns repaired and strengthened with CFRP[J]. China Civil Engineering Journal, 2007, 40(8): 41-46.

[15] 郑建岚, 钱春, 郑作樵. 钢纤维钢筋高强混凝土柱延性的试验研究[J]. 土木工程学报, 1999, 32(1): 56-59.
ZHENG Jian-lan, QIAN Chun, ZHENG Zuo-qiao. Experimental research on ductility of steel fiber reinforced high strength concrete column[J]. China Civil Engineering Journal, 1999, 32(1): 56-59.

(编辑 赵俊)

收稿日期：2011-05-16；修回日期：2011-08-20

基金项目：上海市科委青年科技启明星跟踪计划项目(11QH1402100)；国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAJ03A10-02)

通信作者：许清风(1973-)，男，江苏东台人，博士，高级工程师，从事既有建筑加固改造研究；电话：021-64696581；E-mail：qingfengxu@yahoo.com.cn