15碳纤维布加固木结构残损节点性能分析与设计建议

1、第 45 卷 第 6 期2015 年 3 月下结构Building StructureVol 45 No 6Mar 2015布加固木结构残损节点性能分析与设计建议*碳1 ，1 ，2 ，1 ，1 ，科技大学土木虹1，1毕( 1，西安 710082;，西安 710055)陕西省科学2西安摘要 基于碳布加固木结构残损节点的加固方式及破坏形态，对碳布加固残损节点的受力性能进行分析，并根据相关试验及计算假定，提出了碳布加固木结构残损节点的抗弯承载力计算公式，给出了合理的加固设计建议，为古木结构的修缮加固提供理论依据。; 木结构; 残损节点; 破坏形态; 抗弯承载力; 设计建议 古号: TU366. 12

2、文献标识码: A文章编号: 1002 848X( 2015) 06 0061 05Performance analysis and design recommendations for damaged mortise-tenon jointof ancient timber structures strengthened with CFPZhang Fengliang1，Lu Jianyong1，Xue Jianyang2，Zhu Wuwei1，Tian Penggang1，Bi Hong1，Bian Zhaowei1( 1 Shaanxi Institute of Architecture

3、Science，Xi'an 710082，China;2 School of Civil Engineering，Xi'an University of Architecture Technology，Xi'an 710055，China)Abstract: Based on the strengthening method and failure mode of damaged mortise tenon joint of ancient timber structure strengthened with CFP，mechanical performance of

4、the strengthened joint was analyzed and calculation formula for flexural bearing capacity of the joint was put forward according to relevant experiments and calculation assumptions easonable strengthening design recommendations were also given Theoretical basis for the repair of the ancient timber s

5、tructures isprovidedKeywords: ancient building; design recommendationtimber structure;damaged mortise tenon joint;failure mode; flexural bearing capacity;0引言由于提出了碳布加固木结构残损节点的抗弯承载力计算公式，并给出了合理的加固设计建议，为古木结构的修缮加固提供理论依据。、大风等自然灾害以及、人为破坏木结构榫等，尤其是在强烈作用下，古头的反复拔出和挤压使得卯口逐渐变宽甚至劈裂， 节点松动; 而且随着木材龄期的不断增长，木材本身碳碳布加固木

6、结构残损节点的方法及破坏形态布加固残损节点的方法11. 1节点是古木结构最常见的连接方式之一，的收缩变形、虫蛀、干裂、老化等自然病变均会节点在外荷载作用下主要承受节点转动使榫头产生导致木材物理材性降低，使得榫卯节点处于节点松动、容易拔榫、承载力不足、节点刚度变小等严重残损状态，其力学性能难以满足现行相关规范的各项性能指标，所以对残损节点进行加固十分必要。的拉( 拔)挤，导致卯口两侧变大、榫头两侧变窄，同时由于榫头与卯口的上下表面受到挤压， 导致榫头产生挤压变形，榫卯之间的连接强度大大 降低、节点松动，从而使节点区榫卯之间的连接失去 转动抗弯( 抗拉拔) 承载力。因此，合理的加固残损节点的方式应

7、使其具有很好的平面内转动和抗拉( 拔) 性能。近年来，由于碳布重量轻、强度高、易于施工、耐腐蚀性好、几何可塑性大、易剪裁成型等优点，其在结构加固领域被广泛应用。但采用碳布加固木结构残损节点的研究尚处于初步探索阶段，基本都是以试验研究1-4为主，缺乏相关的加固设计采用材料加固残损节点主要有两种加固形式: 文献2，4，6，7均采用在节点处沿额枋方向粘贴碳布的加固方法( 图 1 ) ; 文献1采理论。甚至古木结构维护与加固技术规范( GB 5016592) 5中尚未有关于残损节点加固设计的理论计算方法，加固设计理论研究远远滞后于用沿节点斜向 45° 角粘贴材料的加固方法工程的实际应用。因此

8、研究合理的古固设计计算方法显得尤为重要。木结构加* 科技支撑计划资助课题( 2013BAK01B03 02 ) ，陕西省科学技术研究发展计划国际合作项目( 2013KW23 01) ，陕西省重点科技创新团队发展计划( 2014KCT 31) 。本文主要结合碳布加固残损节点在外荷载作者简介:com。，博士，工程师，: zhangfengliang2004 126作用下的受力、破坏机制，并结合已有的加固试验，结构2015 年62图 1 沿额枋方向粘贴碳布的加固方法示意图图2 斜向45°角粘贴材料加固方法示意图( 图 2) 。这两种加固方法的优劣目前尚无评判标准，本文主要对比较流行的沿额枋

9、方向粘贴碳布的加固方法进行研究。剥离破坏: 主要是指节点受拉区碳布在达到极限抗拉强度之前，由于碳布与木材之间的粘结能力不足以及圆柱直径大于宽度，导致节点加1. 2碳布加固残损节点的破坏形态固受拉区碳布因剥离而过早失效。对于既有的古 木结构残损节点来说，如本文引言所述，残损节点基本处于榫头变小、卯口开裂、节点松动、容易拔榫等不同程度的残损状态，甚至残损严重的节点已经失去了原有的基本力学性能，承载能力大幅度降低。因此，对于残损严重的榫 卯节点，可忽略原有木结构节点的残余抗拉力。残损节点采用碳 布加固之后，可认为在外在实际的受力过程中，碳布加固残损节点的受力比较复杂，往往是剪力、拉弯矩等几种内布的破

10、坏形力共同作用，因此点区的碳式更加复杂，破坏形态并非单一化。相关文献2，3，4，7试验表明，大部分碳残损节点最终的破坏都是由于碳布横向加固布达到极限抗拉强度所引起的，碳布与木材的剥离只是加快荷载作用下节点由于转动产生的拉( 拔)要由了碳布的破坏速度。碳布来承担，由于碳布不具有抗压能力，由通过对上述碳布加固残损节点破坏形态的与节点区柱连接的额枋端部木材( 榫肩) 来承担节分析发现是碳点受拉区碳布承载能力不足布加固残损节点破坏的主要，因此提点转动产生的。通过碳布加固残损节点拟静力试验1，3，4以及加固结构的振动台试验8可知，高加固残损节点受拉区碳布的承载力( 即提高碳布加固木结构残损节点的基本破坏

11、形态主要加固残损节点的抗弯承载力) 是残损节点加固设计有两种:( 1) 一种是节点区碳的22. 1问题。布加固残损节点抗弯承载力计算布断裂破坏: 碳碳布点在转动过程中，受拉区碳布由于达计算基本假定由于材料在受力过程中到其极限抗拉强度而发生脆性断裂破坏。其受力破坏过程可分为以下几个阶段: 在受力初期，节点转动和应变分布的复杂性，尤其是残损木材的受力状态难以确定，为了便于角度较小，此时碳布的受拉应变发展比较缓慢，应用、简化计算过程，碳布加固残损节点的抗弯受压区主要由下部榫肩木材来承担。对于残损计算建议采用以下基本假定:( 1) 鉴于我国目前古文物节点来说，榫肩处木材在加固前已经发生较大的塑性变形。

12、随着荷载的继续增大，节点的转动角度也的保护政策，假定在外荷载作用下，待加固的残损严重的榫卯节点已失去抗弯( 抗拉拔) 承载能力，荷载全部由受拉区碳 布以及受压区榫肩木材来承担，残损的榫卯节点只起到抗剪和支撑的作用; 同时受压区碳逐渐变大，碳布的拉应变逐渐增大，在节点受拉区额枋和柱交界处，由于集中，使得上边缘处碳布应变达到极限应变值而发生断裂，一旦上部碳布发生断裂，节点受拉区产生重分布，中布不承受压( 2) 由于碳剂的渗透不佳。和轴向受压区移动，荷载迅速转移到其他碳布布粘贴过程中可能存在如粘结布中的丝束褶皱以及少量碳纤上，碳布短时间内即发生连续断裂9，最终，加维布剥离等问题，会导致受力过程中各碳

13、固节点因为受拉区碳破坏。布的脆性断裂而完全布丝带不均匀。但是为了计算方便，假定受拉区碳布的外边缘最先达到极限应变而断裂破坏。( 2) 另外一种破坏形态是节点区碳布发生，等 碳第 45 卷 第 6 期布加固木结构残损节点的性能分析与设计建议63( 3) 沿额枋环箍的碳点的抗弯承载力极限状态，此时受也全部达到极限受压强度 cu，w，如图布只起到固定并防止碳布剥离的作用，对碳离加载端的方向，碳变化。布的受拉变形没有影响; 沿远布应变沿额枋高度线性压区木材5 所示。此时，根据受力平衡条件，可以得出受拉区为:0， 高度 ht 的表X =( 4) 由于纹抗压强度要远远高于横纹抗 b h t =( h h

14、)( 2)tu，ffcu，w2t压强度( 比如红松大约为 8 倍) ，因此受压区木材的挤压变形主要发生在柱( 横纹受压) 上，即假定破坏截面 分析时，受压区木材强度采用木材横纹抗压强度值; 同时，对于残损木结构来说，加固前受压区木材即已产生很大的塑性变形，因此，为了简化计 算，假定受压区木材已经全部进入弹塑性状态。2. 2 材料的本构关系式中: tu，f为防止碳布最终产生脆性拉断破，tu，f = Efcf ，坏而采用的cf为极限拉拉应变，其取值为不大于碳布极限拉应变 tu 的 2 /3 和 0. 01 两者中的较小值; h 为额枋横截面高度; b 为额枋横截面宽度; hf 为受拉碳纤维布有效粘

15、结高度; t 为碳 布厚度。碳布是一种典型的正交异性脆性材料，具有较高的顺纹抗拉强度，在作用平面内具有很强的抗拉强度但抗压强度几乎为 0，同时，碳布在作用平面外的强度也是几乎为 0。在计算过程中，碳布受拉的本构模型取为线弹性本构模型，即:( f tu)( 1)、弹性模=Ef ff式中 f ，Ef ，f ，tu 分别为碳量、应变以及极限应变值。布的和碳 布不同的是，木材的物理性能比较复杂，是一种典型的正交各向异性的、拉压性能不同的 材料，文献10通过材性试验，得出了复杂的木材图 5 极限状态分析在保证碳布与残损节点木材之间不发生相对滑移的前提下，对榫肩受压区木材合力点取力矩顺纹方向、横纹径向和切

16、线方向的拉压-应变曲可得采用碳公式为:布加固残损节点的极限抗弯承载力线( 图 3) ，为了计算方便，本文取木材的受压本构为简化双线性强化本构模型，如图 4 所示。因此，在计算过程中，塑性状态下受压区残损木材的模量可取其切线模量值。()hf h ht× h t( 3)M M=2htu，ffu222. 4 影响参数分析对于碳布加固残损节点来说，影响加固残损节点转动弯矩的主要因素有碳度以及有效粘结长度。布的厚度、高( 1) 碳碳布厚度 t点，并不是越厚越好，较厚的碳布图 3 木材各向复杂的受拉、图 4 木材双线性强化本构模型点的延性外，还不能保布除了不能保证受压应变曲线证多层碳布之间的协同

17、工作以及完全发挥其强度，因此，需对多层碳布的强度( 厚度) 进行折碳布加固残损节点抗弯承载力计算2. 3减。鉴于目前国内外对不同厚度的碳材粘结强度的影响研究较少，取碳布加固木片材加固根据前面对碳布加固残损古木结构榫卯节点的受力性能分析，结合实际情况( 受压区木材在节点加固之前已经处于非弹性状态，材料截面和应变分布复杂) ，为便于工程加固设计的应用，在基于基本假定及材料简化本构关系的前提下， 综合考虑结构加固设计的可靠度指标和安全储备， 并防止碳 布最后发生脆性拉断破坏11，假定受修复混凝土结构技术规程( CECS 146 2003) 11给出的碳片材厚度折减系数 作为不同厚度的碳布加固木材的厚

18、度折减系数。 nEf t ( 4)= 1 420 000布的拉应变达到拉应变cf时为拉区碳式中 n 为碳布的层数。结构2015 年64( 2) 有效粘结高度 hf由式( 3) 可知，碳另外，碳布由于受粘结剂的影响，其力学性能也布的有效粘结高度与加会发生一定程度的变化，导致试验值与理论值出现 误差; 2) 式( 3) 计算假定残损节点完全失去承载力，与实际有一定误差，导致试验值略大于理论值。固节点抗弯承载力之间呈二次抛物线关系，因此，根据式( 2) ，( 3) 可以得出，最优的碳hf，opt 理论值为:布粘贴高度加固残损节点抗弯承载力理论值与试验值比较表 1 2bhcu，w( 5)h=f，opt

19、+ 2tbcu，wtu，f( 3) 有效粘结长度 Le文献12曾进行了层数对玄武岩布与木材粘结性能影响试验，得出了随着层数的增加，木材 的有效粘结长度增加的结论，但没有给出理论计算公式; 文献3，13分别通过试验得出了木材与从统计学来说，本文推导的碳布加固榫卯节点抵抗转动弯矩的公式( 式( 3) ) 比较合理，加固节点的平均抗弯承载力理论值与试验值相差不大( 最大为 15. 6% ) ，说明基本假定( 1) 在一定范围内碳布以及与玄武岩材料 BFP 的有效粘结长度分别为 120，100mm，但缺乏碳布和木材之间有效粘结长度的理论计算公式。基于文献13，是合理的，所提出的理论计算方法可为古木结1

20、4得出的沿粘结长度方向的粘结分布情况布实际受力构整体结构的加固设计提供最保守的理论依据。( 图 6) 以及碳布点的碳4碳4. 1 碳布加固残损节点的设计建议布加固设计的基本原则大小，根据面积等效原则，将图 6 的粘结曲线等效为各点处粘结均相同的规则矩形( 图 6 中虚线部分) ，则矩形的高度即为界面的平均粘结( 1) 虽然碳布在设计时不考虑承受压应力，但实际上在反复荷载作用下，碳布在经受一，然后根据受力平衡条件(布的拉力与界面粘定压作用后，仍可承受拉结力) 由下式计算布的有效粘结长度 Le :。( 2) 碳布应采用专门的配套树脂类粘结剂Ef tu Afhf( 6)Le =可靠地粘贴于木材表面。

21、受力过程中，应保证碳纤维布与木材的变形协调，在达到承载能力极限状态之前，避免出现粘结界面的过早剥离而导致碳布受力失效。式中: Af 为受拉布的截面面积; 为布和木材界面的平均粘结强度值，根据文献13，14，建议取为 0. 8 1. 2MPa。碳布加固残损木结构节点的要点4. 2在实际加固设计工程中，通常会由于粘结树脂的渗透性不佳、布中的丝束未拉直以及少量丝的断裂等施工质量问题，导致碳布受力不均匀，有的甚至产生节点达到极限状态时，碳集中现象，在加固布的破坏平均应变图 6 界面平均粘结计算图示小于极限受拉应变，破坏平均应变仅为极限应变的 0. 6 0. 8 倍15。3算例验证为了验证推导出的碳(

22、1) 碳碳布粘贴加固方式布加固残损节点的抗弯承载布加固残损节点抵抗要依靠转动弯矩理论计算公式( 式( 3) ) 的合理性，将文献碳布的抗拉性能发挥作用，因此增加受拉区碳3及文献7进行的碳布点拟静力试点的抗弯承载力，但由布，其应变值越小，碳布的高度可提高于距受拉区边缘越远的碳验的碳布加固残损节点抗弯承载力试验值与式( 3) 理论计算值进行比较，见表 1。布越不能充分发挥作用，因此应限制碳在额枋侧面受拉区的粘贴高度，参考碳布片材146 距受由表 1 可知: 于试验值。其点抗弯承载力理论值略低主要有以下两点: 1) 试验所用木加固修复混凝土结构技术规程(材难免会存在初始干缩裂缝、木节等物理缺陷，以及

23、 受木材含水率、光照、风化、空气温度和湿度变化等 因素的影响，使得其力学性能出现一定程度的变化，CECS2003) 11的规定，建议碳布粘贴区域拉区边缘 1 /4 额枋高度( h /4) 范围内( 图 7) 。这样文献3所得结果对比文献7所得结果对比试验编号试验值/ kN·m理论值/ kN·m误差试验编号试验值/ kN·m理论值/ kN·m误差柱架三柱架四柱架五2. 463. 853. 923 64 3. 64 3. 6432%5. 8%7. 7%JGKJ1 JGKJ3 JGKJ53. 614. 083. 753 533 53 3. 532 3%15 6

24、%6 2%，等 碳第 45 卷 第 6 期布加固木结构残损节点的性能分析与设计建议65的加固方式不仅可提高抗弯承载力，同时还能保证碳布较好地发挥其作用。碳片材加固修复混凝土结构技术规程( CECS 146 2003 ) 11建议碳布的粘结长度 L取有效粘结长度 Le 再加上 200mm。( 5) 其他构造措施及注意事项为了保证碳布不发生剥离破坏，在额枋粘贴碳布的两端各加一道环箍碳布; 在粘贴干净; 为布的表面涂碳布之前木材表面采用了保持碳布的耐久性，可在碳图 7 额枋侧面 h /4 高度粘贴碳布刷一层油漆; 另外，建议暴晒、易淋雨的节点区域不( 2) 极限破坏状态的确定要采用碳布加固。采用 n

25、 层碳布加固残损节点的极限抗弯承4. 3其他注意事项( 1) 给出的加固设计公式未考虑二次受力性能载力公式为式( 3) 右侧乘以 n。考虑到受力过程中碳 布应变分布的不均匀性对计算的影响，碳纤维布的厚度应乘以式( 4) 的厚度折减系数，碳布截面面积需乘以折减系数 0. 875 ( 1 0 5hf / h =0. 875) 14; 另外，残损严重的节点加固后在反复荷载作用下及长期荷载作用下，均会出现材料强度退影响，但一般来说古木结构在实际加固前已有初始侧移，使残损节点受压区木材有初始应变，这对 于受拉侧的碳布是有利的，但对于同侧受压区碳布是不利的，加固设计( 2) 实际上，一般古予以考虑。木结构

26、只有残损很严化和粘结强度的问题。因此，从加固设计的安重时才采取措施进行加固。本文主要验证了碳全储备及可靠度方面考虑，碳布加固残损节点布加固残损比较严重的榫卯节点的抗弯承载能 力以及加固设计方法，但对于不同残损程度及不同残损状态的榫卯节点，其加固受力性能及力的分配情况可能差别较大，因此对于加固不同残损状态的榫卯节点应根据残损程度及残损状态进行具体分析。( 3) 本文节点加固设计方法基于平面框架节点，没有考虑带有正交额枋的立体榫卯节点对碳纤维布加固榫卯节点抗弯承载力的影响。的抗弯承载力计算方法需要考虑以下几个方面: 1)碳布抗拉强度值取拉cf ; 2 ) 按照木结构设计规范( GB 5000520

27、03 ) 164. 2. 1 条的规定，考虑不同使用条件、不同设计年限时，木材的弹性模量和强度设计值均应乘以相应的调整系数，且当两种情况同时出现时，两系数应该连乘; 按照古木结构维护与加固技术规范(GB5016592) 56. 4. 2 条的要求，还应乘以结构重要性系数 0. 9; 同时，古木结构由于具有几百年甚结语结合已有试验及理论分析，考虑加固施工过程5至上千年的历史，在长期荷载作用下以及木材老化、 开裂等，还应乘以相应的调整系数。中结构可靠度及安全储备的水准，提出了碳布( 3) 碳加固残损节点的抗弯承载力计算方法及加固设计建布加固最大用量的限定已有试验研究17表明，在一定范围内，随着碳布

28、层数或者粘结厚度的增加，碳布易发生议，可为古木结构的修缮加固提供理论依据。参考文献剥离破坏; 在一定范围内，节点刚度越大作用下分担的作用会越大，结构的延性也会降低。1 法究J2 ，王全凤 BFP 加固榫卯节点抗震性能试验研结构，2012，42( 4) : 152 156因此，为了保证受拉区碳布抗拉强度的充分利 CFP 布加固古木构架抗震用及点的延性需求，必须对加固后节点的极试验J，2011，26( 4) : 327 334加固的试验研究及理论分科技大学，2007山东大学限承载力的提高幅度加以限制。参考国内外加固规3 中国木结构古范11或导则18对碳布加固混凝土构件和节点析D 西安: 西安的规定

29、，建议碳布加固残损节点的抗弯承载力4 ，邓大利 木结构榫卯节点抗震性能及其加固提高幅度不宜超过 40% 。( 4) 碳布的粘结长度试验研究J 109 1165 GB 50165 92工程与工程振动，2012，32 ( 3 ) :为了保证点不发生碳布与木材的剥古木结构维护与加固技术规范离破坏，考虑到施工条件及施工质量的差别、粘结界S 北京: 中国，1992( 下转第 13 页)工业和拉共同作用等因素的影响，根据面剪张耀庭，等 多层钢筋混凝土框架结构基于材料的损伤模型研究第 45 卷 第 6 期133结论( 1) 在建立基于材料的整体框架结构的损伤评BIDDAHesponse baseddamag

30、eassessmentofstructures J Earthquake Engineering Structural Dynamics，1999，28( 1) : 79 1044 PAK Y J，ANG A H S Seismic damage analysis of估模型时，考虑对结构损伤影响的差异及不同楼层之间的差异，合理地利用了延性框架设计中的“ 弱梁”、框架结构底部需加强等抗震设计思想。( 2) 对框架结构进行分析时，结合整体指标和局部指标来识别结构的线弹性、弹塑性、塑性发展、塑性强化及极限状态五个性能状态，以此来判别结 构的基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏及倒 塌五个震害等级

31、，具有良好和显著的对应关系。( 3) 给出了震害程度和损伤指标之间的对应关系，并通过一个 5 层钢筋混凝土框架结构的算例验证了其适用性，能够为同类钢筋混凝土框架结构的抗震损伤评估研究提供参考。reinforced buildings J Journal of StructuralEngineering，ASCE，1985，111( 4) : 740 757，冯启民，王国新 考虑低周疲劳的改进5 损伤模型J 土木工程，2004，37Park Ang( 11) : 41 466 KUNNATH SASHI K，HEO YEONG A E，MOHLE JONF Nonlinear uniaxial

32、material mfor reinforcing steelbars J Journal of Structural Engineering，ASCE，134( 3) : 335 3437 LOLAND K E Continuous damage mfor load response estimation of concrete J Cement and Concrete esearch，1980，10( 3) : 395 4028 HEO YEONG A E Framework for damage based probabilistic seismic performance evalu

33、ation of reinforced concrete frames D Oakland: University of California， 2011本文仅对按我国现行和抗规设计的一个 5层钢筋混凝土框架结构进行分析，基于材料的钢筋混凝土整体结构的损伤评估方法，在各类钢筋混凝土结构中是否具有适用性和可行性，尚需在今后的工作中进一步完善和修正。9 抗震设计用钢探讨J 工程抗震，1995( 2) : 37 4210，等 高强 HB400E用抗震钢筋高应变低周疲劳性能研究J 材料热处理技术，2010，39( 16) : 22 2611 BACCI J，EINHON A M，MANDE J B，Damage m for seismic damage evaluation of C structures Buffalo: National Center for Earthquake Engineering esearch，SUNY，198912 GB 50010 2010 混凝土结构设计规范S 北京: 中参考文献1 BETEO D，BETEOV VPerformance basedreliable conceptualseismic en