景觀木亭斷梁再續

霍文斌，黃龍田，郭志強

（1.廣東省建筑設計研究院，廣東　廣州　510010；2.廣州奔達建工補強專業有限公司，廣東 廣州 510010）

景觀木亭斷梁再續

霍文斌1，黃龍田1，郭志強2

（1.廣東省建筑設計研究院，廣東廣州510010；2.廣州奔達建工補強專業有限公司，廣東 廣州 510010）

在建的景觀亭承重疊合梁在跨中和1/3跨處無連接拼接，疊合梁嚴重變形近于折斷，喪失大部分的承載力，面臨坍塌。采用粘貼碳纖維片材加固后，不僅恢復和提高了整體的承載力，且覺察不到加固的痕跡，使用至今已6a，未見異常，效果良好。實踐證明碳纖維加固木結構的方法是成功的，如用于古建筑的木結構維修加固應有廣闊前景。

木結構；疊合梁拼接；碳纖加固；測試；效果

1　概況

某賓館中庭四種不同形態的在建景觀木亭，在主體結構完成后還未蓋瓦，發現各承重主梁均已嚴重彎曲下撓，撓度絕對值超過30 mm（見圖1），不得加設臨時支撐，后續工序已無法進行，如果再上屋面荷載則有坍塌可能

圖1　景觀木亭主梁下撓

2　原因

檢查發現承重主梁是由兩或三根方木組成的疊合梁，圖2是其中一個亭未上屋面瓦前的竣工圖，組成疊合梁的方木在跨中和1L附近拼接，接口無連3接，實際上是由未固接的懸挑梁受力，結構處于不穩定狀態，導致結構變形，是構造上的嚴重失誤。

3　處理方案

因為上部構造已經完成，不可能拆除重建；主梁拼接口如用鋼構件連接或加固勢必影響外觀，并且違反規范關于“在受彎構件的受拉邊，不得打孔或開設缺口”的規定［1］。經比較決定采用粘貼碳纖維片材對主梁進行加固處理，并對疊合梁的拼接縫和水平縫壓注結構膠，使形成完整的截面，提高截面的抗彎剛度。

圖2　某亭未上屋面瓦前竣工圖（單位：mm）

4　采用碳纖維片材加固木結構受彎構件的可行性

對疊合梁的拼接豎截面壓注優質結構膠，以保證截面受壓區的緊密連接，在梁的下緣粘貼碳纖維片材取代被截斷的木纖維的抗拉功能，在理論上是成立的，碳纖維的抗拉強度是3 000 MPa以上，木材抗彎極限強度實測值一般是75～90 MPa［2，3］，碳纖抗拉強度是木材的33倍以上，0.167 mm厚的碳纖片材抗拉能力約相當于1.6 mm的鋼板，粘貼碳纖只要錨固長度足夠，可不設錨固螺栓，不會損壞原結構。本工程的受彎桿件的下緣均采用雙層碳纖布加固，其抗彎承載能力應遠高于原設計的抗彎承載力。為驗證加固的可行性和加固效果，實施加固前，用碳纖加固小尺度的木桿件作破壞試驗。

5　碳纖布加固單根木試件檢測

5.1材質

試件采用本工程的相同的無疵方木（柚木），共分三組，三組試件材質相同，每組三個試件。

試件截面和加載簡圖：截面b×h=30 mm×20 mm，見圖3。現場照片見圖4、圖5。

圖3　試件截面和加載簡圖（單位：mm）

圖4　原材無接口試件破壞前撓度較小

圖5　碳纖加固有拼接口試件破壞前撓度大不斷

5.2測試結果

測試結果見表1。

表1　測試結果匯總表

5.3試驗結果描述

第一組試件是無接口的原材，對比用。破壞彎矩平均值0.154 kN·m，是受拉區木纖維拉斷，斷裂前撓曲變形不大，下緣木纖維突然拉斷，呈脆性破壞特征。按實測值計算抗彎極限強度77 MPa，遠大于按規范的取值fm=15～17 MPa，原因是規范木材抗彎強度的設計值已隱含了抗力的分項系數并經過調整，試件是木材極限強度的實際數值。

第二組試件拼接面在跨中，用結構膠粘合，極限彎矩平均值僅為0.071 kN·m，約相當于第一組原材試件的46%，斷口在拼接面，突然折斷，其彎曲抗拉能力取決于膠的正粘結強度，結構膠的正粘結強度一般僅2.5～3.5 MPa，遠低于木材纖維的彎拉強度，所以拼接截面不能單靠粘合加固。第三組試件拼接面在跨中，用結構膠粘合，下緣粘貼單層碳纖加固，極限彎矩實測平均值0.28 kN·m，沒有折斷，破壞是支點橫紋受擠壓破壞，見圖6。破壞前試件明顯彎曲，碳纖未剝落，上緣受壓區亦未見擠壓破壞。實測極限彎矩是無接口的原材試件的1.8倍。

圖6　支承點擠壓破壞后的拼接木試件

5.4基本結論

（1）受彎木桿件截面拼接，采用直接粘合無效，受彎時在粘合面折斷；

（2）受彎木桿件截面拼接，桿件下緣經碳纖加固后抗彎承載力不會低于全截面的桿件；

（3）粘貼單層碳纖維加固有斷口的試件比未經加固的無斷口的整根試件抗彎承載力可提高35%以上；

（4）受彎木桿件經碳纖加固后，可避免下緣木纖維受拉突然拉斷所出現的脆性破壞。

6　計算驗證：

參照《碳纖維片材加固混凝土結構技術技術規程》和木材抗彎特性，彎曲破壞時受壓區出現較大的塑性變形，推導碳纖加固木桿件的計算公式（推導另詳附件“木梁拼接截面碳纖加固抗彎承載力”）：

式中：εcu為木材順紋受壓極限壓應變，可取0.006～0.008；εy為木材順紋受壓比例極限應，可取0.002～0.004［4，5］；εfil為碳纖片材極限拉應變，取0.014；Af為碳纖面積計算值（mm2）；Ef為碳纖彈性模量，取210 000 MPa；fcu為木材極限抗彎強度；b，h為矩形截面的寬、高，mm。為與試件實測值對比，取h=20，b=30，εcu=0.008，εy=0.003，εfu=0.014，fcu按實測值計算抗彎極限強度77 MPa。

計算結果是：

Mu=0.232 kN·m，Af=4.64 mm2

計算值Mu=0.232 kN·m小于實測值0.28 kN·m，計算值約為實測值的82%，碳纖面積計算值Af= 4.64 mm2，實用值 5.01 mm2。

由于材質的離散性影響了參數的取值，理論值與實驗值的差異是正常的，抗彎強度的理論值低于實測值，說明按理論公式計算還是比較接近實際且偏向安全。

7　加固實施方案

加固范圍：各亭主梁、斜梁、檁條等承重構件有拼接的部位。

（1）對變位較大的主梁，用小噸位千斤頂復位，同時進行監測；復位后在跨中兩側加設臨時支頂；

（2）對疊合梁的豎向拼接面壓注結構膠粘結；

（3）疊合梁間的水平縫隙壓注結構膠粘結，使形成全截面，提高疊合梁的抗彎承載力；

結構膠主要性能指標，見表2。

表2　結構膠主要性能指標

（4）疊合梁下緣粘貼兩層碳纖布加固，拼接口部位，側面粘貼碳纖布以增強梁的整體性。

8　荷載試驗

選擇一個木亭加固后進行靜載試驗，檢測加固效果，見圖7。

圖7　木亭屋面加載檢測

屋面荷載設計值：

q=1.2×1+1.4×0.5=1.9 kN/m2

加載重量：2.5 kN/m2是荷載設計值的1.3倍；加載時長：12 h，L=3 m主梁實測最大撓度6 mm，相當于1/500，滿足規范撓度限值的要求。

9　回　訪

經加固的6個木亭，投入使用至今已6 a，一直正常工作，沒有任何異樣，外觀上看不到經過加固的痕跡，實踐證明碳纖維加固木結構的方法是成功的，如用于古建筑的木結構維修加固應有廣闊前景。

［1］GB50005-2003，木結構設計規范［S］.

［2］龔偉，李希鈞，劉勵誠.鋼結構與木結構［M］.北京:中國建筑出版社，1988.

［3］廣西大學.木材學［Z］.

［4］GB50009-2001，建筑結構荷載規范［S］.

［5］CECS 146:2003，碳纖維片材加固混凝土結構技術規程［S］.

TU366.2

B

1009-7716（2016）06-0329-03

2016-02-23

霍文斌（1978-），男，廣西桂林人，高級工程師，從事路橋設計工作。