纖維增強復合材料的加固木梁的研究

姚署霖

摘 要：近年來，專家學者研究和應用碳纖維復合材料的加固技術呈現快速增長的態勢。由國內外的實驗研究、工程實踐的經驗，纖維增強復合材料加固古木結構的關鍵在于碳纖維布的用量、種類以及與木材間的粘結性能。本纖維增強復合材料的加固木梁包括梁體，其特征在于，所述的梁體上沿其軸向方向上設有碳纖維布，所述的碳纖維布厚度為0.05～0.15cm。顯然，無形中延長了梁體的使用壽命。

關鍵詞：纖維增強復合材料；加固木梁；研究

一、背景和意義

中國傳統木結構建筑是中國古代流傳下來的建筑，它繼承了中國文化幾千年的主流，繼承了中國民族的優良傳統，具有歷史、藝術和科學價值。但是由于環境侵蝕、時間久遠等多方面影響，許多的木結構古建筑損壞得較嚴重，都亟待修復，而且還要保持原來的風貌。隨著政府對文物歷史維護的重視，古建筑的加固技術也得到了進一步的研究和加強。

近年來，專家學者研究和應用碳纖維復合材料的加固技術呈現快速增長的態勢。由國內外的實驗研究、工程實踐的經驗，纖維增強復合材料加固古木結構的關鍵在于碳纖維布的用量、種類以及與木材間的粘結性能。

隨著科學技術的發展，以及新的材料廣泛應用，FRP（纖維增強復合材料）的特性：強度高，便于施工，耐蝕性，防火性，幾何可塑性，易于剪裁。用于粘貼在木結構的表面，加強木結構的強度，對于古建筑加固有著相當重要的意義。

二、國內外研究現狀

上世紀90年代，科學家開始研究碳纖維布來加固木梁。Plevris和Triantafillou[1]把冷杉木梁用碳纖維加固的試驗，并分析了buchanan的本構關系模型。Johns和Lacroix[2]用各種類型的碳纖維和玻璃纖維來進行加固木梁的試驗，發現加固后的木梁的強度比未加固前提高40%-70%，說明用纖維材料加固可以有作用地改善木梁的受力性能。在國內，許清風等把碳纖維布貼在舊木梁的各個側面，進行抗剪試驗，因為古建筑建成已近80年，木梁損壞嚴重，由于邊緣木木節發生彎曲破壞，使試驗結果有較大離散，但木梁本身承載力和剛度有顯著提高。

三、研究內容

研究內容是提供一種成本低，能延長梁體使用壽命，同時滿足古建筑“修舊如舊，不改變古建筑原貌”的原則的纖維增強復合材料的加固木梁。

如圖1所示，本纖維增強復合材料的加固木梁包括梁體1，為了能延長梁體的使用壽命，在梁體1上沿其軸向方向上設有碳纖維布2，本實施例的碳纖維布2層數為1～2層，其次，本實施例的碳纖維布2厚度為0.10cm。本實施例從根本上解決了梁體的承載力、剛度和耐久性較差等問題，滿足對古建筑“修舊如舊，不改變古建筑原貌”的原則，易于推廣應用。而且還延長了梁體的使用壽命。具體地說，本實施例的碳纖維布2通長包裹在所述的梁體1上。其次，碳纖維布2通過粘性材料固定在梁體1上。優化方案，這里的粘性材料為浸潤樹脂。

1：梁體 2：碳纖維布

如圖2所示，本圖同圖1的結構及原理基本相同，不一樣的地方在于：所述的碳纖維布2固定在所述梁體1的底面上。

1：梁體 2：碳纖維布

施工流程及應注意的事項：

a.表面處理：由于使用的碳纖維片材，以改善設計元素應該確定，以便在襯底的狀態的目的，以確保其對從織物結構體的表面傳遞載荷的能力。b.在底層滾涂上TH-505碳纖維底膠，并注意要把膠均勻，厚度一致，再彈墨線。c.然后再將TH-505碳纖維浸潤膠用滾涂法，均勻地涂在木材梁粘結面上，所使用的纖維浸潤膠的用量須充足而且要飽滿。d.把成卷的碳纖維布按照所設計的尺寸，進行仔細地裁剪，粘貼在木材梁涂膠面，所粘貼的碳纖維布要平整、光滑，并無褶皺處。e.使用硬橡膠棍、塑料刮板對木材梁與碳纖維布粘接處進行反復碾壓，使粘接處的碳纖維布平整、光滑、無小氣泡，并且粘合劑充分滲透到木材處。f.最后在木材面的碳纖維布上滾涂浸潤樹脂，使浸潤樹脂充分覆蓋在碳纖維布的表面，確保樹脂充分浸漬在碳纖維布的纖維之中。

針對嘉興古建筑的實際情況，通過對碳纖維布加固木梁的抗彎性能試驗研究，在此基礎上進行加固木梁抗彎性能理論和過程分析，通過采用碳纖維布加固木梁的試驗方法，對碳纖維布加固木梁的抗彎性能，同時對碳纖維布加固木梁界面應力分析和計算等方面進行公益性技術研究。該試驗工作從2013年10月份開始，經過試驗人員與項目技術人員相互學習促進，由于該項目中加固方法既保護了原古建筑的風格，又能節約加固成本的目的，所以試驗工作很順利。