川大建筑

题目浅谈ＦＲＰ加固木结构的研究
学院建筑与环境学院
专业建筑与土木工程
学生姓名张海鹏
学号Ｓ１１２７０３年级２０１１任课教师李碧雄教授
FRP加固木结构的研究和应用现状
一引言：
木结构是我国传统建筑的主要结构形式，在日本、韩国、欧洲和北美等国家，传统木结构也相当多，这些前人留下来的建筑，都具有较高的历史文化价值。

现在，随着人们生活理念的转变，木结构建筑因其具有质轻、温暖舒适、健康环保等特点，在全世界掀起了一股“绿色结构”建筑的热潮，尤其在国外。

资料显示，1997年，美国共建单体别墅约113．8万栋，其中，90％采用木结构。

另外，所建的33．8万栋多层住宅中，绝大多数也采用木结构。

但木材本身强度低、弹性模量低，在空气中易老化，且遇台风、地震、雨水、废气等易破坏，因此，木结构需要频繁地维修；而建筑物使用功能和荷载的改进，也使得木结构需要进行增强和加固。

传统的加固方法在施工时都需要加设铁箍，由于铁箍易锈蚀，使用之前，必须进行除锈及抗锈和抗腐蚀的处理。

此道工序既费力又费时，而且。

稍有操作不慎，将导致构件新的损坏。

FRP的出现，则为木结构的加固带来了新的机遇。

二ＦＲＰ简介：
纤维增强复合塑料(Fiber Reinforced Plastics)，简称FRP，是一种新型的复合材料，主要由高性能纤维、聚酯基或环氧树脂组成。

FRP具有极其优越的性能，包括轻质、高强、高弹性模量、易于裁剪、抗疲劳性能好、耐磨、耐腐蚀、无磁性等。

土木工程领域通常应用的FRP复合材料，从增强材料上分，主要有碳纤维复合材料(CFRP)、玻璃纤维复合材料(GFRP)、芳纶纤维复合材料(AFRP)、玄武岩纤维(BFRP)等；从材料形式上分，主要有片材、布状片材和板状片材、筋、棒和索等。

图一：
图二：
三国外FRP加固木结构的研究
３.１ＦＲＰ的研究历程
利用FRP材料来加固木结构的研究起源于20世纪60年代，当时国外的一些研究者针对传统木结构加固方法占用空间大，耐久性不好，不利于保护等缺陷，提出了有当时的玻璃纤维来加固的思想，并进行了理论方面的研究，证实了可行性.代表人物有：
1965年Biblis研究了6种不同木材的玻璃纤维增强木梁的结构功能，并提出了刚度和强度的计算方法，通过实验证实了其有效性。

1992年，Plievris率先对木梁和柱的张拉面粘贴了单向纤维布进行了抗弯性能实验。

1997年Triantafilllou发表了粘贴U形FRP箍的木梁进行了抗剪性能实验发现纤维布加固后的木构件在抗弯，抗剪，刚度，延性方面有非常大的提高。

2001年Gilfillan.R等进行了CFRP加固胶合木梁的抗弯性能实验。

梁的跨度为6m，配筋率为0.4%，其抗弯极限较对应的原木梁提高48％；适量的受拉增强可以抑制受拉破坏，导致梁的顶部延性受压，但单边增强梁的受压区高度不超过2／3；CFRP增强梁的受压区能够抑制木材发生受压破坏。

2001年Bias对FRP增强胶合层木的抗弯性能进行试验研究并比较了底板粘贴和夹心粘贴的参数影响，证明对于胶合层木与FRP组合后，同样有很好的增强效果。

对于此类预应力FRP增强木梁进行的抗弯性能试验表明，施加预应力后，构件的强度比非预应力FRP梁约提高15％，比普通木梁约提高30％，同时刚度也有明显提高，证明了施加预应力是一种比较好的增强方式。

2002年Chris Gentile(2002年)等对采用GFRP筋嵌入式(Near Surface Mounted，简称NSM)加固方法的22根锯木梁(配筋率分别为0．27％和0．82％)进行试验研究。

结果显示，加固后的木梁破坏模式由原来的脆性拉伸破坏变成了受压失效，能够有效地克服木材的天然缺陷对强度的影响，受弯承载能力提高了18％～46％。

木材的弹性模量低、徐变大，造成建造历史较长的木结构变形较大，而且会因长期徐变导致构件的破坏。

在利用FRP加固过程中，必须要考虑徐变的影响。

1995年，Plevris等发表对2根以1．18％体积率的CFRP增强的木梁和1根控制试件进行10个月恒温恒湿恒载试验。

结果数据表明，FlIP加固后可减少40％的初始变形和50％的徐变变形，从而表明FRP能够提高木梁的刚度和减少徐变影响，而且其效果是非常可观的。

此后，Plevris采用粘弹性模型考虑温湿效应和徐变时效特性，建立关于时间、温度和湿度的应变函数，并用Findley模型模拟FRP 经2001年，Davids又发表对12根7 m长冷杉胶合层木进行了为期22个月的恒温变湿恒载试验。

实验表明，FRP增强的木梁徐变明显小于未增强的木梁；而5个月后，徐变导致持载过程中纤维布增强的木梁出现层间断裂。

Davids同时发展了针对粘弹性木材分层模型的应变时效函数，对加固后木材的徐变效应进行有效分析。

这两个典型试验，表明利用FRP加固木构件，不仅可以提高构件的承载力，而且明显地削弱了徐变的影响。

３.２FRP加固木梁抗弯性能研究
在FRP加固本结构的所有研究中，FRP加固本粱抗弯性能的研究最为充分。

FRP加固木粱抗弯性能主要是在术梁受拉面粘贴FRP布或在受拉区布置耶田筋，达到提高木梁受弯承载力、刚度和延性的效果，典型的加固方案如图1、图2所示。

FRP加固木结构的分类方法有多种．接FRP材料可分为片材、筋材和型材；按加固材料状态可分为普通加固和预应力加固；接木材类型可分为普通锯材、受损错材和胶合本材；按截面形状可分为矩形截面和圆形截面；按试件类型可分为简支粱和连续梁。

均进行了粘贴FRP布加固矩形木梁的试验研究。

研究结果表明，加固术粱截面变形基本符合平截面假定；由于FRP布能有效约束裂缝开展、限制木材缺陷和防止木材局部破坏，使加固木粱的受弯承载力、刚度和延性均有明显提高。

但由于FRP布用量(O，08％一4∞％)、FRP种类(c豫P、c腿P)，树种、木材种类(锯材、胶合术)、试件尺寸、加载位置和锚固长度的不同，加周木粱受弯承载力和刚度的提高程度有较大差异，其中受弯承载力提高幅度为9%——100％．刚度提高幅度为22．5％一29.2％。

张大照进行了FRP加固圆形术粱的试验研究。

研究表明，用FRP布加固圆形木粱后其受弯承载力提高40％一0％，同时刚度和延性也得到提高。

通过试验研究发现．在受拉面或受压面粘贴等量的FRP布对木粱刚度的提高效果无明显差异；
通过在受拉面和受压面分别粘贴FRP加固木梁的对比试验，证明了在受拉面粘贴FRP布的加固效果更好。

许清风等““进行了CFRP加固受拉区带有明显木节术粱受弯承载力的试验研究。

对比试件和粘贴CFRP布加固试件均发生由术节引起的脆性破坏，破坏没有明显的征兆。

粘贴CFRP加固带木节试件的受弯承载力显著提高，提高幅度达53％一109％，明显大于CFRP加固没有明显术节砖件的提高幅度。

３．３FRP加固受损锯材研究
A11ido等进行了GFRP布加固跨中面积损失达60％受损木桩的试验研究，研究表明，使用高性能水泥砂浆和CFRP布加固受损木桩其受弯承载力较无受损对比试件仍可提高46．2％。

祝金标等1例进行了粘贴CFRP珊布加固受损术粱的试验研究，所有受损试件均是在木粱受拉面中间位置开40mm宽、25mm高的缺口，并用强力粘结剂在缺口填补相同材质木块。

研究表明，加固试件截面变形基本符合平截面假定；粘贴ＣＦＲＰ船布不仅可有效提高受损木粱的受弯承载力和刚度．还可改善其延性；粘贴1层、2层和4层ＣＦＲＰ布(p=1．09％、2．18％和4．36％)加固受损木梁的受弯承载力分别可提高12％、23％和65％。

杨会峰等“”进行了ＣFRP加固杨木胶合木粱受弯承载力的试验研究，加周后其极限最载力提高1B％一63％，刚度提高32％一88％，延性系数提高33％一133％，比匡外胶合木粱提高的幅度大。

Andio等“”进行了GFRP布加固两跨连续胶合术粱的试验研究。

研究表明，在上下面粘贴两层±450向GFRP布加固胶合木梁的极限承载力没有明显提高；而粘贴两层水平向cFRP布(p=2．1％)加固胶合木粱不仅极限承载力提高了47％，同时刚度和延性也得到改善。

四结语：
国内外学者已对FRP加固木结构进行了积极研究和探索，并已取得了许多有益的研究成果．部分研究成果已应用于工程实践。

但ＦＲＰ加固木结构研究的深度和广度仍有欠缺．仍需进行深入研究．具体包括以下几个方面：
1)应结合我国木结构的特点，进行FRP加固斗拱、卯榫节点等中国术结构特定元素的试验研究。

2)针对历次地震中木结构的震害．进行FRP加固木结构抗震性能的试验研究。

3)结合新技术和新材料的发展，进行FRP型材、玄武岩FRP等新材料以及施加预应力等新技术加固木结钩的研究。

4)为了保证FRP加固木结构的耐久性，应进行FRP加固木结构在使用环境中长期性能的研究。

5)考虑木材可燃的特点，进行FRP加固木结构防火性能的研究等。

通过对FRP 加固木结构研究的深入和完善。

将为我国木结构的维修加固提供可靠的技术支持和方案选择。