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1、燕尾桦样式对CFRP加固樟卯接长木梁抗弯性能影响试验研究摘要：通过11根木梁的静力受弯试验，研究燕尾样样式对样卯接长木梁加固后的抗弯性能的影响。试验结果表明，未加固前梯卯接长木梁承载力较低，仅为完整木梁的LO0%2.62%,经CFRP布加固后其抗弯承载力可提高至完整木梁的50%83.33%；旋转90后，传统燕尾樟进行梯卯接长和采用梯头带梯肩接长，其抗弯承载力和能量吸收能力提高。燕尾梯梯头斜率从0.1变化至0.3,木梁的抗弯承载力和能量吸收能力随之提高，其抗弯承载力分别可达完整木梁的71.43%至83.33%,能量吸收能力分别达完整木梁的43.01%至61.33%。当燕尾樟桦头长度超过传统燕尾桦
2、桦头长度时，其抗弯承载力、能量吸收能力和刚度反而降低。关键词：木梁；碳纤维布；樨卯节点；抗弯承载力；能量吸收能力中图分类号：TU366.2Experimentalstudyfortheeffectofdovetailstyleontheflexuralbehavioroftimberbeamsextendedbyamortise-tenonjointandstrengthenedbyCFRPsheets1.INHua-yi,JITao,DAITing-wei1,LINXu-juan1,ZHANGYing2(1.CollegeofCivilEngineering.FuzhouUniversity
3、,Fuzhou.Fujian350116China：2.CollegeofArchitecture.FuzhouUniversity,FuzhouFujian350116,China)Abstract：Byastaticbendingtestofeleventimberbeams,theeffectofdovetailstylesontheflexuralbehavioroftimberbeamsextendedbyamortise-tenonjointandstrengthenedbyCFRPsheetswasstudied.Theresultsshowthattheflexuralload
4、ingcapacityofthetimberbeamsextendedbyamortise-tenonjointandnotstrengthenedbyCFRPsheetsisrelativelylow,only1.00%to2.62%oftheintegratedwoodenbeams.Theflexuralloadingcapacityofthetimberbeamsextendedbyamortise-tenonjointandstrengthenedbyCFRPsheetsreaches50%to83.33%oftheintegratedwoodenbeams.Comparedwith
5、traditionaldovetailmortise,theflexuralloadingcapacityandenergyabsorptionabilityincreaseforthetimberbeamsextendedbydovetailmortiseorthedovetailmortisewithtenonshoulderafterrotating90degreeWiththedovetailtenonslopevaryingfrom0.1to0.3,theflexuralloadingcapacityandenergyabsorptioncapabilityofwoodenbeams
6、increase.Theirflexuralloadingcapacitiesare71.43%to83.33%oftheintegratedwoodenbeamandtheirenergyabsorptioncapacitiesare43.01%to61.33%oftheintegratedwoodenbeam.Whenthelengthofdovetailtenonsexceedsthatofthetraditionaldovetailtenons,thebendingloadingcapacity,theenergyabsorptionabilityandthestiffnessofth
7、etimberbeamsreduce.Keywords：timberbeam,carbonfiberreinforcedpolymer(CFRP),mortise-tenonjoint,flexuralloadingcapacity,energyabsorptionability0引言木结构建筑中，传统古建筑木结构由于制造工艺极其复杂、历史悠久，且不可复制，具有极高的历史、科学和艺术价值。目前，我国大量古建筑木结构房屋存在局部构件破损问题，主要有以下几种破坏形态“旬：(1)梁架歪闪及梁、彷构件的弯曲折断；(2)柱子下沉、歪闪等；(3)斗枳扭曲变形；(4)屋面漏雨；(5)楝子糟朽、折断、拔桦等。
8、其中梁、防等受弯构件由于年久漏朽、虫蛀或荷载加大等原因，构件承载力退减，容易出现梁柱样卯节点脱卯现象，以及梁端腐朽问题。针对木梁及梁柱节点处维修加固的方法有贴补法、嵌补法、剔补法、下撑式拉杆加固法、1项目来源：国家科技支撑计划课题传统古建聚落规划改造及功能综合提升技术集成与示范(2012BAJ14B05)作者简介：林华艺(1990-),男，福建人，研究生，工程力学专业通讯作者：季韬(1972-),男，福建人，博士，教授，主要从事结构工程研究，it72(5)扁钢加固法、夹接法、托接法和更换新构件法等咒这些方法通常需要增加、更换新构件以及利用扁钢或铁箍进行加固，不仅破坏了木结构原貌而且可能带来锈蚀
9、问题。对此，在古建筑木结构的加固中，引入了纤维增强复合材料（FiberReinforcedPoIymer,简称FRP）进行加固。FRP具有轻质高强、耐腐蚀、耐久性好、易于剪裁、施工性能好等优点，在木构件表面粘贴时不会增加重量，并可利用彩绘等装饰手法进行覆盖，不影响外观，从而更大程度上保留古建筑的原有样貌,保护了文物本身的历史、文化、艺术和科学价值。二十世纪六十年代起，国外的研究者IVangaard率先对玻璃纤维增强复合材料（GFRP）加固木梁进行了试验研究。近年来，国内外学者相继对不同的FRP粘贴方式、层数、类型等对加固后木梁抗弯承载力、延性及刚度的影响展开相关研究闵，其中：谢启芳、姬卓I、马
10、建勋等阿研究了不同层数的CFRP布对矩形木梁的影响，结果表明随着CFRP布层数的增大，木梁的极限荷载增大；Triantafilk研究了粘贴U型FRP箍的矩形木梁的抗剪性能，结果表明木梁的抗弯强度、抗剪强度、刚度和延性等方面在加固后均有非常大的提高。尽管国内外学者对FPR加固木梁已有一定研究，但是针对历史古建筑木结构中梁端腐朽亟待维修的实际工程需要，本文提出一种新的维修方法，即将梁两端已腐朽的锯掉，用两段新木材与原中间段木梁通过桦卯形式进行接长，组成与原来总长相等的梁，同时在接长节点处包裹碳纤维（CFRP）布进行加固，这种方法可以保护未腐烂的中间段木梁。还未有学者提出过梯卯接长木梁这一概念，从而
11、并无此方面的相关研究。开展FRP加固桦卯接长圆形截面木梁的研究，对保护古建筑具有十分重要的意义，本文着重研究不同燕尾椎样式对CFRP加固后梯卯接长木梁抗弯性能的影响。1试验本次试验共设计了11个试件，均为圆形截面，直径d=130mm,长度L=2000mm,净跨L0=1800mm,各试验梁具体参数及加固方案见表1,其中LO为完整木梁（作为对比梁），LlL5为桦卯接长木梁（未采用CFRP布加固），CLlCL5为桦卯接长木梁（在桦卯接长处采用碳纤维布加固）。本试验样卯样式及做法参照传统工艺技术1，具体样式图见图1图3,加固样式见表1和图4oL3L5是以L2为基础、CL3-CL5是以CL2为基础（即L
12、3L5、CL3-CL5的燕尾桦旋转90）进行参数变化得到，详见表1。表1试验梁参数Tab.1Testbeamparameters试验号樟卯形式变化参数梯头长度（）斜率大小加固方案LO原木Ll燕尾梯1号传统梯头方向650.1L2燕尾梯2号燕尾后旋转90。650.1L3燕尾梯3号带梯肩65L4燕尾梯4号斜率变大3倍650.3L5燕尾梯5号长度变长1100.1CLl燕尾梯1号传统梯头方向650.1CL2燕尾桦2号燕尾桦旋转90。650.1粘贴2层平行于木梁方向的纤CL3燕尾桦3号带样肩65维布，再粘贴1层垂直于木梁CL4燕尾梯4号斜率变大3倍650.3长度方向的纤维布环箍CL5燕尾梯5号长度变长11
13、00.13939俯视图图1燕尾梯1号(单位：mm)Fig. 1 Firsttenonstyle(Unitzmm)Ln科n亘65127065主视图匚右视图6512703939俯视图图2燕尾梯2号（单位：mm）Fig. 2 Secondtenonstyle(Unicmm)南 口 135325I 迦 NhW32.512703 C32.5325“ vs”15 300 I3939主视图30065127065300右视图俯视图图3燕尾梯3号（单位：mm）Fig.3Thirdtenonstyle(Unitnnm)1长400mm,宽600mm纤维方向和木梁长度方向平行的碳纤维布；2宽200mm,长600mm纤
14、维方向和木梁长度方向垂直的碳纤维布环箍图4加固方案(单位：mm)Fig.4Specimenreinforcementscheme(Unit:mm)1.2 木材的材料性能试验按木材物理力学性能试验方法(GB19271943-09)执行，测得木材的主要力学性能指标见表2。表2木材主要性能指标Tab.2Woodkeyperformanceindicators木材类型抗弯强度(MPa)抗弯弹性模量(MPa)顺纹抗拉强度(MPa)顺纹抗压强度(MPa)顺纹抗剪强度(MPa)杉木69.381077987.6333.585.161.3 加固材料指标CFRP布由福州骆驼商贸有限公司提供，性能指标见表3,粘结剂
15、由杭州固安科技有限公司提供，性能指标见表4。表3CFRP布性能指标Tab.3CFRPfabricperformanceindicators型号规格厚度(mm)抗拉强度(MPa)弹性模量(GPa)I级30Og0.1673696242表4粘结剂性能指标Tab.4Binderperformanceindicators拉伸剪切强度(MPa)抗一强度(MPa)抗拉强度(MPa)抗压强度(MPa)8.254.940.178.12试验方案2.1 加载方案试验在福州大学结构实验室进行，加载方式为液压千斤顶手动加载，千斤顶置于荷载分配梁上，再通过钢垫板将荷载传递到试验梁，实现两点集中加载。根据木结构试验标准(G
16、B50329-2012)1，整个加载过程采用逐级加荷方式，先进行预加载(即先加载至2kN,而后卸载)，确认每项仪器正常运行后，再从0升始每级加载3kN,每加载一级，保持荷载稳定2.5min,待开始有轻微响声后，每级加载量改为12kN,加载至破坏。2.2 量测方案试验测量内容包括梁跨中位移、支座沉降、加载点位移，同时观察和记录木梁的破坏情况。各试验梁沿梁长共设置5个位移计，数据通过DH3816静态数据采集仪进行采集。试件加载装置及测点布置见图5。P1 一位移计；2分配梁；3一应变片，应变片跨中自上而下编号为1-5； 图5试件加载装置及测点布置(单位：mm)Fig.5 Specimen loadi
17、ng device and measuring points (Unicmm)3试验结果及分析3.1 试验结果试件LO,右端截面存在一定的初始裂缝。当荷载P=24kN时，有开裂响声发出；当P=30kN时，右侧端面裂缝由原本的非贯通转至贯通状态，贯通后在木梁截面高度的1/2处，沿梁纵向出现顺纹剪切错动裂缝，木梁受拉区与受压区开始错开，随着荷载增大，错开位移增大；当P=42kN时，木梁右侧发出较大响声，木梁右侧受拉区与受压之间错开明显，在加载点处由于受拉区存在木节，发生受拉破坏。当进一步加载时，力传感器显示的荷载值明显下降，为保护试验仪器，试验停止，破坏形态见图6o卸载后，试件的变形有部分回弹，但
18、仍保留部分残余变形。试件LO发生顺纹剪切破坏，在梁高1/2处，沿梁纵向出现水平方向的相互错动现象，由于错动后减小了木材之间的连接面积，木材顺纹抗剪能力降低，从而发生破坏；当纯弯段存在较多木节时，会在木节处发生弯曲破坏。(a)顺纹剪切错动裂缝(b)贯通木梁剪切裂缝图6试件Lo破坏形态Fig.6 Failure modes of specimen Ll试件LI,未经加固桦卯接长木梁承载力很小，故采用吊篮逐级添加硅码的形式进行加载。由于右端梯卯接长处在初始加工时连接不够紧实，因此，当荷载P=0.16kN时，右端梯卯处开始拔样；P=0.47kN,左端桦卯处也开始拔样；当P=LO2kN时，左边拔梯严重(
19、图7),停止加载。试件L2L5试验结果类似，在荷载较小的情况下出现拔样现象，随着荷载缓慢增加，樟卯处挠度迅速增大，而后全部拔出，荷载与挠度值见表5,破坏形态见图8。图7试件错误!未找到引用源。Ll卯口胀裂破坏Fig.7 Failure modes of specimen L1图8试件L2L5卯口劈裂破坏Fig.8 Failure modes of specimen L2-L5试件CiJCL5在加载过程中有木材开裂响声发出，随着荷载增大，响声逐渐变大，当荷载达到剥离荷载时，会有突然的巨响，此时，梯卯接长处粘贴的CFRP布开始剥离，接长处挠度迅速增长，荷载不能进一步增加，力传感器显示的荷载值明显下
20、降，且挠度增长较快，破坏突然，为脆性破坏，此时停止试验并卸载。测得的荷载与挠度值见表5,破坏形态见图9。破坏时CFRP布上粘有一些木屑，可见粘结效果良好，且说明破坏发生在毗邻木材于胶粘层界面的木材中。(a)样卯节点处压弯破坏(b)粘结面剥离破坏图9试件CL1CL5破坏形态Fig.9FailuremodesofspecimenCL1-CL5各试件的试验结果见表5。表5试验结果Tab.5Testresults试件编号开始拔样或FRP布剥离时的荷载(kN)极限荷载(kN)棒卯处挠度值(mm)与完整木梁LO的比值()破坏类型LO42顺纹剪切破坏Ll0.161.02104.52.43卯口胀裂破坏L20.
21、41.1()116.52.62L30.30.79102.6L62L40.440.64114.31.29卯口劈裂破坏L50.420.46107.61.00CLl212138.450.00CFRP布剥离破坏CL2303040.871.43CL3323243.676.19CL4353550.483.33CL5222440.457.143.2 承载力分析根据试验的主要结果，由表5可得：(1)试件LlL5的燕尾梯样式不同，未加固前承载力较低，仅为完整木梁的LO0%2.62%,经加固后为完整木梁的50%83.33%,可见CFRP布对桦卯接长木梁的加固效果显著。(2)比较试件CLl与CL2,二者梯头尺寸相同
22、，区别于所放置的方向不同，前者是采用传统的燕尾梯进行桦卯接长，后者是将传统燕尾样旋转90后进行桦卯接长，其抗弯承载力分别可达完整木梁的50%和71.43%,可见采用传统燕尾样旋转90后进行禅卯接长效果更佳。(3)比较试件CL2与CL3,梯头长度相同，区别于桦头是否带桦肩，其抗弯承载力分别可达完整木梁LO的71.43%和76.19机可见带梯肩的梯卯接长木梁加固后的承载力提高。分析其原因，是由于桦头带梯肩后，桦头不易被拔出。(4)比较试件CL2与CL4,梯头长度相同，区别于樟头的斜率不同，分别为0.1和0.3,其抗弯承载力分别可达完整木梁的71.43%和83.33%,可见随着桦头斜率的增大，桦卯接
23、长木梁加固后的承载力提高。分析其原因，是由于样头的斜率变大后，梯头不易被压缩变形至与卯口张口同宽而拔出，使得梯卯连接更紧。因此，在制作接长木梁时，建议采用样头斜率变大3倍的燕尾桦进行连接。(5)比较试件CL2与CL5,二者梯头斜率相同，梯头长度不同，分别为65师和110mm,其抗弯承载力分别可达完整木梁的71.43%和57.14%,可见桦头长度增大后反而会降低桦卯接长木梁加固后的抗弯承载力。跨中挠度、能量吸收能力和刚度1.0、CLlCL5的荷载-跨中挠度曲线见图10(a),从图10(a)中可以看出，只有试件LO出现了平缓的塑性阶段，其余试件均处于弹性阶段，可见桦卯接长木梁经加固后发生脆性破坏；
24、LIL5的荷我一跨中挠度曲线见图10(b),从图10(b)中可以看出，试件LlL5在很小的荷载下，挠度增长迅速，最后均发生拔桦破坏，跨中挠度很大。试件L4、L5挠度增长速度最快，加载后期荷载-跨中挠度曲线有很长的水平段，这是由于在没有采用CFRP加固情况下，L4由于梯头斜率较大，L5由于梯头长度变长，桦头根部断裂，从而使承载力不再增长。各试件的荷载-跨中挠度曲线特征值见表6,其中荷载-挠度曲线与横轴所包围的面积代表试件能量吸收能力，面积比指各试件与横轴所包围的面积与完整木梁LO的比值，采用面积比这个指标来反映木梁能量吸收能力。试件LlCL5这10个试件中，CIJL1,CL2L2,CL3L3,C
25、L4L4,CL5L5,可见桦卯接长木梁经加固后其能量吸收能力得到大幅度提高。同时，CL4、CL3、CL2、CL5CLl的能量吸收能力分别达完整木梁LO的61.3347.8343.01232.03%和25.37%,可见采用桦头斜率变大3倍的燕尾梯进行接长的木梁，经加固后其能量吸收能力最高。试件CLl与CL2的能量吸收能力分别达完整木梁LO的25.37%和43.01%,可见采用传统燕尾样旋转90后进行桦卯接长后，木梁的能量吸收能力也得到提高。试件CL2与CL3的能量吸收能力分别达完整木梁LO的43.01%和47.83%,可见桦头带桦肩可提高木梁的能量吸收能力。试件CL2与CL4的能量吸收能力分别达
26、完整木梁LO的43.01%和61.33%,可见木梁的能量吸收能力随着梯头斜率增大而增大。试件CL2与CL5能量吸收能力分别达完整木梁LO的43.01%和32.03船可见梯头长度增大后，木梁的能量吸收能力降低。对于表6中的荷载-挠度曲线的原点切线斜率K,可以看出LOCL2CL3CL4CL1CL5,斜率比指加固后的试件的斜率与完整木梁LO的比值，可反映木梁的刚度。试件CLlCL5的刚度分别达完整木梁Lo的78.57%、95.24%、89.68%、79.37%和76.98%。试件CL5的斜率最小，反映的刚度最小，主要是由于其燕尾桦桦头长度较长，则相应卯口的凹口范围较大，使得构件被削弱(b)Ll-L5
27、(a)LOCLICL5图1荷载一跨中挠度曲线Fig.10Deflection-Ioadcurve表6荷载-跨中挠度曲线特征值Tab.6Characteristicvaluesofload-deflectioncurves试件编号挠度（mm）斜率K(kNmm)斜率比（%）面积A(kNmm)面积比（好）LO38.561.26938.27Ll40.000.043.1723.572.51L213.460.1612.708.870.95L357.710.097.1433.193.54L478.750.064.7644.054.69L568.940.043.1728.082.99CLl21.990.997
28、8.57238.0825.37CL225.881.2095.24403.5943.01CL327.381.1389.68448.7747.83CL432.751.0079.37575.4361.33CL525.390.9776.98300.5332.034结论（1）未加固前木梁承载力较低，仅为完整木梁的0.38%2.62%,经CFRP布加固后的木梁，其抗弯承载力可提高至完整木梁的50%83.33%,可见CFRP布对桦卯接长木梁的加固效果显著。（2）采用传统的燕尾桦进行桦卯接长和传统燕尾桦旋转90后进行梯卯接长的木梁，经加固后，其抗弯承载力分别达完整木梁的50%和71.43%,其能量吸收能力分别
29、达完整木梁的25.37%和43.01%,其刚度分别达完整木梁的78.57%和95.24%。可见采用传统燕尾桦旋转90后进行梯卯接长，加固效果更佳。(3)采用不带禅肩和带梯肩的燕尾桦进行桦卯接长，并采用CFRP布对樽卯接长木梁进行加固后，木梁抗弯承载力分别可达完整木梁的71.43%、76.19%,其能量吸收能力分别达完整木梁的43.01%和47.83%,其刚度分别达完整木梁的95.24%和89.68%。可见采用带桦肩的燕尾桦进行桦卯接长，加固效果更佳。(4)当梯头的斜率分别为0.1和0.3时，并采用CFRP布对梯卯接长木梁进行加固后，木梁抗弯承载力分别可达完整木梁的71.43%和83.33%；其
30、能量吸收能力分别达完整木梁的43.01%和61.33%,其刚度分别达完整木梁的95.24%和79.37%。可见采用燕尾桦桦头斜率较大的柳卯进行接长，加固效果更佳。(5)当禅头长度分别为65mm和IIomm,并采用CFRP布对梯卯接长木梁进行加固后，木梁抗弯承载力分别可达完整木梁的71.43%和57.14%；能量吸收能力分别达完整木梁的43.01%和32.03%；其刚度分别达完整木梁的95.24%和76.98%。可见采用燕尾桦桦头长度较大的柳卯进行接长，加固效果反而变差。综上，在古建筑维修和加固中，建议采用传统燕尾样旋转90。、带桦肩的燕尾梯或斜率为0.3的桦头、梯头长度为常规梯头长度，并采用C
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