FRP加固木結(jié)構(gòu)

1、淺談FRP對現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)的加固研究摘要：通過數(shù)年的研究和努力，現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)房屋作為一種新型環(huán)保節(jié)能建筑，在國內(nèi)外開始得到關(guān)注。然而現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)也存在承載力等方面的問題，因此提出了采用FRP材料加固現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)的方法。本文主要介紹了現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)、國內(nèi)外FRP加固現(xiàn)狀等。在現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)研究中，F(xiàn)RP加固屬于較新穎的研究領(lǐng)域，因此這仍是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題 。關(guān)鍵詞：現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)，F(xiàn)RP，加固，承載力 Abstract: Through several years research and effort, modern bamboo structure housings as a new envi

2、ronmental-friendly and energy-saving building, getting more attention from people at home and abroad. However modern bamboo structure still have problems such as the bearing capacity , here comes the method of modern bamboo structuresstrengthened with materials. This paper mainly introduces the stru

3、cture of the modern bamboo, domestic and foreign status of FRP reinforcement, etc. In the study of modern bamboo structures, FRP reinforcement come from a new research field, so it is still a key scientific problems to be solved.Keywords: modern bamboo structure ; FRP; reinforce; the bearing capacit

4、y0引言目前，建筑主要以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)及砌體結(jié)構(gòu)為主，這些結(jié)構(gòu)需要消耗大量的鋼材，水泥和粘土，本身是一種高能耗、高污染的產(chǎn)業(yè)，顯然不符合綠色建筑的要求。迄今為止，建筑領(lǐng)域使用最多的天然可再生的有機(jī)材料是木材，然而我國是一個(gè)森林面積相對較少，木材資源也相對匱乏的國家，即便是人工造林，也由于林木本身的成材周期較長，可取用的資源仍然極為有限，不可能大量用于建造木結(jié)構(gòu)房屋。而同樣輕質(zhì)高強(qiáng)的竹材，由于其豐富的資源和出色的繁殖生長能力，恰恰能夠彌補(bǔ)木材資源匱乏這方面的缺陷。因此其在生態(tài)性、保溫節(jié)能性、抗震性能及施工與工業(yè)化方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)，給我們帶來綠色與環(huán)保的新概念。但是，在竹結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用

5、過程中發(fā)現(xiàn)，存在以下突出問題：（1）彈性模量低，受彎構(gòu)件的剛度較??；（2）竹材抗拉強(qiáng)度相對較低，中性軸在截面對稱軸附近，材料用量較多；（3）力學(xué)性能較離散，往往由于局部缺陷提前破壞；（4）破壞模式較脆。因此，目前一些研究學(xué)者在基本不改變現(xiàn)有竹材加工工藝的情況下，利用FRP筋增強(qiáng)材料改善竹材受彎構(gòu)件的力學(xué)性能，提高竹材對于結(jié)構(gòu)工程的適用性，并且通過試驗(yàn)初步驗(yàn)證了FRP筋增強(qiáng)竹材受彎構(gòu)件的有益效果。1現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)竹材是一種可再生、可降解的天然生物質(zhì)復(fù)合材料?，F(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)是將原竹材通過工業(yè)化處理，制成具有一定規(guī)格的竹質(zhì)工程材料，如重組竹、竹材積成材等，可以克服原竹材的上述缺點(diǎn)，這類材料質(zhì)地均勻，力學(xué)性能

6、穩(wěn)定，因而具備了作為現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)材料的基本要求。所謂現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)，主要包含三個(gè)方面的涵義：（1）它特指一種結(jié)構(gòu)，是以竹材為主制作的結(jié)構(gòu)，而非竹制品或其他一些工藝品；（2）此類結(jié)構(gòu)所用主要材料來源為竹材，而直接被用于結(jié)構(gòu)中的材料是由竹材經(jīng)加工而成的膠合竹材，能夠適合工業(yè)化生產(chǎn)的需要，易于形成工程標(biāo)準(zhǔn)，不同于用原始竹材直接制作的原竹結(jié)構(gòu)；（3）此類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與建造是基于現(xiàn)代力學(xué)、材料學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)學(xué)等現(xiàn)代理論的，具有科學(xué)性和技術(shù)性。與傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)以及組合結(jié)構(gòu)相比，現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)有如下幾方面特點(diǎn)：(1) 現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)所用主要材料為膠合竹材，而世界范圍內(nèi)竹材資源豐富，因此竹結(jié)構(gòu)具有原

7、料來源廣泛、造價(jià)低廉的優(yōu)點(diǎn)。 (2) 竹結(jié)構(gòu)建筑具有良好的抗震性能和耐久性能。由于質(zhì)量輕、彈性好、強(qiáng)度高，其抗震性能非常突出；經(jīng)過適當(dāng)處理的竹材使用壽命可達(dá)30年之久，而且，竹材種類的精心選擇、防腐處理、輔助材料的使用等都能增加竹結(jié)構(gòu)的耐久性。(3) 現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)建筑或橋梁具有設(shè)計(jì)簡潔美觀，施工方便快捷，能夠適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的需要，易于形成工程標(biāo)準(zhǔn)。竹結(jié)構(gòu)房屋只需很短的時(shí)間即可安裝完成，這種效率對自然災(zāi)害快速救助，減少傷亡或恢復(fù)災(zāi)區(qū)人民生活非常重要，同時(shí)，較短的施工周期，可以為開發(fā)商提供最快的資金回籠時(shí)間。 (4) 環(huán)保效益高也是竹結(jié)構(gòu)的重要特點(diǎn)之一，竹材是綠色材料，其生產(chǎn)過程環(huán)保，無污染，符合可

8、持續(xù)發(fā)展的要求，竹結(jié)構(gòu)建筑是一種綠色節(jié)能建筑。 (5) 目前，國內(nèi)外關(guān)于現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用較少，竹結(jié)構(gòu)研究具有較高的理論意義和工程價(jià)值。2 FRP復(fù)合材料特性及應(yīng)用土木工程領(lǐng)域通常采用的FRP復(fù)合材料，從材料形式上分，主要有片材(布狀片材和板狀片材)、筋、棒和索等。布狀片材在使用前不浸漬樹脂。在施工過程中再給予浸漬樹脂并張貼于結(jié)構(gòu)表面或包裹結(jié)構(gòu)；板材是指在使用前浸漬樹脂并使其固化成板狀，施工時(shí)再用樹脂將其粘貼在結(jié)構(gòu)表面，類似于粘貼鋼板。根據(jù)增強(qiáng)材料的不同,又可以分為碳纖維復(fù)合材料(CFRP)、玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)和芳綸纖維復(fù)合材料(AFRP)，這三種FRP復(fù)合材料各有特色。在眾多的

9、FRP材料中，纖維布由于具有幾何可塑性大、易剪裁成型等優(yōu)點(diǎn)，較適用于非規(guī)則斷面的傳統(tǒng)木構(gòu)件表面粘貼，是木結(jié)構(gòu)加固中的首選材料(同時(shí)，也有少量的FRP板和FRP筋用于木結(jié)構(gòu)的加固中)，工程中碳纖維布的應(yīng)用較為廣泛。目前，F(xiàn)RP主要用于木構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的加固，從而提高己有木結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和抗震性能。由于纖維布非常輕薄，加固后木結(jié)構(gòu)經(jīng)粉刷不影響外觀，也幾乎沒有增加附加重量，而且提高了結(jié)構(gòu)的防火性能；因此，纖維布對于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)加固比較適應(yīng)，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α? 國內(nèi)外FRP木結(jié)構(gòu)加固研究二十世紀(jì)九十年代初，歐、美、日等國家開始CFRP加固與增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)的研究。目前，F(xiàn)RP即主要用于加固木構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)，提

10、高既有木結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和抗震性能。國外在該方面的研究狀況分為兩類：短期性能和長期性能。（1）短期性能1992年，Plveris等率先進(jìn)行了對木梁和柱的張拉面粘貼了單向碳纖維布進(jìn)行抗彎性能試驗(yàn)，1997年，Trinaatfillou等進(jìn)行了對粘貼U型RP箍的木梁進(jìn)行了抗剪性能試驗(yàn)，兩者發(fā)現(xiàn)纖維布加固后的木構(gòu)件在抗彎、抗剪強(qiáng)度、剛度和延性等方面均有非常大的提高。2001年，Gilfillan，R等進(jìn)行了CFRP加固glulam木梁的抗彎性能試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，CFRP能夠顯著改善原木梁的性能,增強(qiáng)梁的極限抗彎承載力較原木梁有很大的提高，梁的跨度為6m，配筋率 (CFRP)為0.4%，其極限彎矩較對

11、應(yīng)的原木梁提高48%；適量的受拉增強(qiáng)可以抑制受拉破壞，導(dǎo)致梁的頂部延性受壓，但單邊增強(qiáng)梁的受壓區(qū)高度不超過2/3；CFRP增強(qiáng)梁的受壓區(qū)能夠抑制木材發(fā)生受壓破壞。由于木材的彈性模量低、徐變大，直接粘貼FRP的效果并非最理想。1962年，Bohanan最早提出在木結(jié)構(gòu)中施加預(yù)應(yīng)力的思想,但因?yàn)闆]有合適的預(yù)應(yīng)力材料而沒得到很好的發(fā)展。1991年1992年，Triantafilluo采用張拉碳纖維布，在持載情況下，將木梁受拉面粘貼到碳纖維布上，等到粘膠建立強(qiáng)度后再釋放，從而建立預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)木梁的思想，并在實(shí)驗(yàn)室得以實(shí)現(xiàn)。此類預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)木梁的抗彎性能實(shí)驗(yàn)表明,施加預(yù)應(yīng)力后構(gòu)件的強(qiáng)度比非預(yù)

12、應(yīng)力CFRP梁約提高15%，比普通木梁約提高30%，同時(shí)剛度也有明顯提高，證明了施加預(yù)應(yīng)力是一種較好的增強(qiáng)方式。目前，在短期性能方面，尚需要了解的是FRP加固木柱的抗壓、抗剪承載力和變形性能。因?yàn)?，木柱的破壞主要在于開裂或蝕損引起抗壓強(qiáng)度不足和抗風(fēng)、地震的剪切強(qiáng)度不足，在這兩方面根據(jù)以往對FRP包裹的鋼筋混凝土柱的縮尺模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，其效果是非常理想的，這方面的研究將會給木柱的加固提供非常有益的參考。(2)長期性能由于木材的彈性模量低、徐變大，造成建造歷史較長的木結(jié)構(gòu)變形較大，而且會因長期徐變導(dǎo)致構(gòu)件破壞。在利用FRP加固過程中，必須要考慮徐變的影響。1995年，Plveris等對兩根以1

13、.18%體積率的CFRP增強(qiáng)的木梁和1根控制試件進(jìn)行了10個(gè)月恒溫恒濕恒載試驗(yàn)，結(jié)果數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)RP加固后可減少40%的初始變形和50%的徐變變形，從而表明FRP能夠提高木梁的剛度和減少徐變影響，而且其效果是非?？捎^的。1996年，Plevris采用粘彈性模型考慮溫濕效應(yīng)和徐變時(shí)效特性，建立關(guān)于時(shí)間、溫度和濕度的應(yīng)變函數(shù)，并用Findlye模型模擬FRP，對FRP加固木梁的徐變進(jìn)行分析。2001年，Davids對12根7m長冷杉膠合層木進(jìn)行了為期22個(gè)月的恒溫變濕恒載試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)RP增強(qiáng)的木梁徐變明顯小于未增強(qiáng)的木梁；而5個(gè)月后，徐變導(dǎo)致持載過程中纖維布增強(qiáng)的木梁出現(xiàn)層間斷裂。同時(shí)，

14、Dvaids發(fā)展了針對粘彈性木材分層模型的應(yīng)變時(shí)效函數(shù)，對加固后木材的徐變效應(yīng)進(jìn)行有效分析。這兩個(gè)典型實(shí)驗(yàn)，表明利用FRP加固木構(gòu)件，不僅可以提高構(gòu)件的承載力，而且明顯地削弱了徐變的影響。我國于2003年開展了碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)的研究工作，同濟(jì)大學(xué)進(jìn)行了碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)梁柱的試驗(yàn)研究；之后，上海交通大學(xué)也進(jìn)行了探索性研究。但是，沒有制訂碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)的技術(shù)規(guī)程。總體來說，我國碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)的研究仍處于起始階段。由于現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)屬于復(fù)合材料，其材料性能與木結(jié)構(gòu)類似。在木結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)程中發(fā)現(xiàn)FRP在增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)方面有許多優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)同樣適用于FRP增強(qiáng)現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)，通過歸納整理，優(yōu)點(diǎn)如下：（

15、1）提高竹構(gòu)件的承載能力，降低截面尺寸。（2）提高竹結(jié)構(gòu)的耐火能力。（3）減小竹構(gòu)件各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)和力學(xué)性能的變異系數(shù)。（4）提高竹結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性。可見，采用FRP復(fù)合材料在現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)性能的增強(qiáng)和加固方面有著很大的潛力和很好的應(yīng)用前景，但由于現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)尚處于研究開發(fā)階段，現(xiàn)有竹結(jié)構(gòu)房屋大多以原竹為材料進(jìn)行建造，國內(nèi)使用FRP復(fù)合材料進(jìn)行加固的竹結(jié)構(gòu)更是寥寥無幾。但大致可以歸納如下：魏洋、蔣身學(xué)、李國芬等針對竹材受彎構(gòu)件剛度小、力學(xué)性能離散、材料用量較多等應(yīng)用局限，提出利用FRP筋增強(qiáng)的創(chuàng)新思想，并給出了FRP筋增強(qiáng)竹梁的關(guān)鍵制造工藝及技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行了3個(gè)FRP筋增強(qiáng)及對比竹梁的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果

16、初步表明FRP筋在受拉區(qū)的配置分擔(dān)了竹材的拉應(yīng)力，對增強(qiáng)竹梁截面剛度是有效的，其CFRP筋增強(qiáng)試件剛度提高10%，BFRP筋增強(qiáng)試件剛度提高5%，CFRP筋的彈性模量較高，對截面的剛度提高效果好于BFRP筋，但FRP筋增強(qiáng)竹梁仍然是截面剛度控制設(shè)計(jì)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，無論是對比試件還是FRP筋增強(qiáng)試件，其橫截面應(yīng)變沿高度方向的分布基本上呈線性，平截面假定是成立的。且FRP筋增強(qiáng)試件中性軸位置較對比試件向下降低，尤其以CFRP筋增強(qiáng)試件中性軸位置降低更明顯，證明了FRP筋參與工作的有益作用。單波，周泉，肖巖提出了一種以膠合竹板為基本材料的現(xiàn)代竹結(jié)構(gòu)人行橋梁，并通過3根足尺試件的四點(diǎn)加載試驗(yàn)，研究了短薄膠

17、合竹板制成長梁的成型工藝和構(gòu)件的力學(xué)性能。試驗(yàn)顯示竹梁的破壞是由受壓區(qū)竹材分層導(dǎo)致對接頭錯(cuò)位引起的。其中一根試件增設(shè)了CFRP增強(qiáng)層，試驗(yàn)研究表明CFRP增強(qiáng)層對竹梁的強(qiáng)度有所提高，其承載能力和變形能力均大大提高，但是剛度與未增設(shè)CFRP增強(qiáng)層的試件大致相當(dāng)。試驗(yàn)結(jié)果表明, 采用短板拼接、整體膠合成型的大尺寸竹梁剛度和承載力均能滿足人行橋建設(shè)的要求。黃桂秋進(jìn)行對碳纖維布或鐵絲加固對竹材的抗壓、抗彎性能提升作用的對比試驗(yàn)和碳纖維布加固竹節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)，其竹材選用的是35年的沒有明顯缺陷，長度在10mm以上，外徑從60mm到80mm不等，壁厚610mm的毛竹。FRP均通過環(huán)繞黏貼在毛竹表明的方式黏貼。

18、通過試驗(yàn)分析，進(jìn)過FRP加固的試件極限承載強(qiáng)度提升可以達(dá)到 21.5%30.1%?？箟簭?qiáng)度提升的幅度與碳纖維布加固的面積不完全呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，其中1/2碳纖維布加固面積的試件提升幅度為21.5%，1/1碳纖維布加固面積的試件提升幅度比1/2碳纖維布加固面積的試件大，為27.5%，而提升幅度最大的是1/3碳纖維布加固面積的試件，為30.1%。這表明，粘貼一定量的碳纖維能夠明顯提高毛竹的抗壓強(qiáng)度，但超過一定面積時(shí)，這種進(jìn)一步的抗壓強(qiáng)度提高作用不明顯。FRP加固與鐵絲加固進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，沒有竹節(jié)的試件中，碳纖維加固的試件極限強(qiáng)度提升25.0%，鐵絲加固的試件極限強(qiáng)度提升17.7；有竹節(jié)的試件中，碳纖維

19、加固的試件極限強(qiáng)度提升 16.9%，鐵絲加固的試件極限強(qiáng)度提升 12.3。總體來說，碳纖維布的加固效果要高于鐵絲的加固效果。同時(shí)碳纖維布加固對毛竹的抗彎強(qiáng)度有較大的影響。1/3碳纖維加固試件初裂強(qiáng)度的提升幅度為18.7%，極限強(qiáng)度的提升幅度為52.1%；而1/1碳纖維加固試件初裂強(qiáng)度提升19.8%，極限強(qiáng)度提升 63.4%。碳纖維布加固可以極大地改善毛竹的延性。荷載-位移曲線顯示，未加固的毛竹在達(dá)到極限強(qiáng)度后立即破壞，表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性破壞；而加固后的毛竹在達(dá)到極限強(qiáng)度后仍能繼續(xù)承受大部分荷載，位移變形逐漸增大，延性較好。在使用碳纖維加固節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)中表明：碳纖維布對毛竹節(jié)點(diǎn)加固有較好的提升效果。

20、一層加固可提高18.4%的剪切強(qiáng)度，二層加固比一層加固提高2.2%，相比一層碳纖維加固試件，兩層碳纖維加固試件的強(qiáng)度只有細(xì)微的提升。周愛萍在進(jìn)行重組竹梁的彎剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)即使剪跨比很小，梁最終還是因彎矩最大截面的下部纖維拉斷而破壞，即梁的破壞還是彎曲破壞，很難出現(xiàn)剪切破壞形態(tài)。為此，采用碳纖維加固抗彎強(qiáng)度的辦法，提高梁的抗彎承載力，使之在剪切破壞前不發(fā)生彎曲破壞，通過四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)載增加至極限承載力 45%左右時(shí)，荷載撓度曲線開始偏離直線狀態(tài)，梁的剛度開始下降，但梁上并無可見裂紋出現(xiàn)，可能是由于碳纖維布與梁的結(jié)合面發(fā)生局部黏貼滑移所致。當(dāng)荷載接近極限承載力時(shí)，剪跨內(nèi)約在梁截面1/2高度處出現(xiàn)一

21、水平裂縫，梁的荷載撓度曲線明顯偏離直線狀態(tài)，剛度下降較快。此后，隨著荷載的增加，在首條裂縫附近繼續(xù)出現(xiàn)新的水平裂縫，梁的剛度進(jìn)一步降低，剪跨內(nèi)可見明顯的剪切變形，梁失去承載力。通過FRP加固重組竹，研究了梁的剪切破壞形態(tài)和破壞機(jī)理，為進(jìn)一步進(jìn)行重組竹梁的彎剪強(qiáng)度分析奠定基礎(chǔ)。4 結(jié)論（1） 竹材是一種可再生、可降解的天然生物質(zhì)復(fù)合材料，相比于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)具有生態(tài)性、保溫節(jié)能性、抗震性能及施工與工業(yè)化方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)；相比與木結(jié)構(gòu)具有原材料來源廣、來源快、力學(xué)性能、阻燃性能較好等優(yōu)點(diǎn)。（2） FRP主要用于木構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的加固，從而提高己有木結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和抗震性能。由于纖維布非常輕薄，加固后木結(jié)構(gòu)經(jīng)粉刷不影響外觀，也幾乎沒有增加附加重量，而且提高了結(jié)構(gòu)的防火性能；因