國內FRP增強木梁研究的現狀與展望★

楊 友 龍

(韓山師范學院，廣東 潮州 521041)

0 引言

木結構具有自重輕、節能環保、施工方便等優點，被日本、歐洲和北美等國家和地區廣泛使用[1]。我國傳統民居、寺廟乃至宮殿也大量的采用木結構作為主體結構形式[2]。作為纖維性材料，天然木材有彈性模量低、徐變大、易老化和木纖維方向性敏感等缺點，且不耐臺風、雨水侵蝕、蟲蝕等破壞性環境因素。在受拉區域存在槽朽、蟲蝕等缺陷的木梁的承載力顯著低于健康木梁，在載荷作用下，受壓區域邊緣纖維的應變在遠沒有達到受壓極限應變之前，受拉區域邊緣纖維即發生拉斷破壞；此種破壞為脆性破壞，嚴重消弱了整體結構的穩定性和抗震性能[3]。因此，木結構特別是木梁構件的增強需求較大。

纖維增強復合材料(FRP)因其輕質、高強、耐腐蝕、施工方便快捷、修復增強效果好等特性，已經成為常用的增強材料[4-6]。使用FRP增強木梁可以充分利用FRP的抗拉強度高的特點，顯著提高增強梁的承載力和剛度。增強用FRP材料主要有碳纖維復合材料(CFRP)、玻璃纖維復合材料(GFRP)和芳綸復合材料(AFRP)，近年來玄武巖復合材料(BFRP)亦有少量使用。我國建筑工程每年使用的碳纖維及其復合材料近年來保持在千噸水平[7]。

FRP增強木梁一般是采用在木梁受拉面粘貼FRP布(見圖1)，或在木梁邊緣開槽溝布置FRP筋。

1 國內FRP增強木梁研究的現狀

國外將FRP應用于木梁增強的研究最早見于1964年，Wangard采用單向GFRP粘貼于不同種類木梁的受拉面，其后Theakson，Spaun和Plevris等人做了進一步的研究。他們的研究均顯示增強梁的承載力得到提高，且防止了木梁的脆性破壞[8-11]。國內此方面的研究開始于2005年之后。以下分別考察國內FRP增強木梁的理論研究和試驗研究現狀。

1.1 FRP增強木梁的理論研究

2005年，王鋒等人對預應力FRP增強木梁做了理論計算，其計算表明對纖維材料施加預應力能夠顯著減小構件的變形，在增強梁跨中大部分區段內的粘結應力分布與按完全組合截面計算得到的應力基本相同，在錨固區段，粘結應力急劇增大，應當采取措施加強錨固以防止粘結失效[12]。

2006年，楊會峰和劉偉慶對FRP增強膠合木梁的彎曲變形做了解析分析，給出了增強梁在簡支受力狀況下的變形解析解，并與已有的試驗結果進行對比，顯示模型具有較高的精度，可以模擬梁的全過程變形與剛度變化[13]。2007年，他們對FRP增強膠合木梁的粘結剪應力做了理論計算，將計算得到的最大粘結剪應力與有限元分析方法的計算結果比較，相對誤差在5%以內[14]。

2012年，邵勁松等人推導了FRP增強木梁的受彎承載力計算公式，并與36根木梁的抗彎試驗承載力比較，計算結果吻合良好[15]。

2013年，吳酈威等人對FRP增強含缺陷梁的理論分析表明：在木梁受拉側沿軸向粘貼CFRP布的增強梁的剛度高于側面粘貼的增強梁；增強梁的撓度隨CFRP布的厚度和彈性模量的增加而減小；最優情況下，CFRP增強完全消除了裂縫因素[16]。

2019年，歐陽煜等研究了含初始裂紋木梁經FRP增強后的穩定性,通過數值求解方程,分析了CFRP布含量、裂紋深度和位置以及數量等因素對增強梁的極限承載力的影響,結果表明：CFRP增強可明顯減小裂紋深度和數量對極限承載力的影響,且在裂紋處彎矩較大或裂紋較深時增強效應更顯著；增強梁的極限承載力在CFRP布含量達到一定值后,繼續增加CFRP布含量對極限承載力提高并不明顯[17]。

1.2 FRP增強木梁的試驗研究

1.2.1FRP片材和板材增強木梁的試驗研究

2007年，楊會峰等人對FRP增強楊木膠合梁的研究顯示，FRP增強可以分別提高受彎極限承載力和剛度達18%～63%和32%～88%，且增強梁的破壞形式大多表現為塑性受壓破壞[18]。

2008年，楊會峰等人研究了FRP增強原木梁(水杉和樟子松)的抗彎性能，結果表明：增強梁的極限承載力和剛度分別提高達17.7%～77.3%和10.9%～105.0%；FRP增強可避免或延緩木梁的受拉脆性破壞，降低木材缺陷對受彎性能的影響，充分利用木材的抗壓強度并可提高構件的延性[19]。

2010年，王全鳳等人采用GFRP增強方案，對9根矩形截面木梁進行受彎試驗研究，其研究表明在木梁受拉區粘貼GFRP是提高木梁抗彎性能的有效方法[20]。

2011年，淳慶等人采用碳—芳混雜纖維布增強松木和杉木木梁，結果表明增強梁的抗彎承載力分別提高18.1%～62.0%(松木)和7.7%～29.7%(杉木)，剛度分別提高13%～21%(松木)和6%～10%(杉木)[21]。

2012年，邵勁松等人對FRP增強木梁的受彎試驗顯示：在木梁受拉區布置FRP可提高木梁受彎承載力30.61%；破壞形態表現為受壓區木纖維褶皺失穩、受拉區木纖維和FRP增強層被拉斷；木梁受壓區設置FRP增強層對受彎承載力的影響與增強的方式有關，受壓區橫向纏繞FRP增強效果最好，而沿梁縱向增強的效果并不明顯[22]。

2014年，陸偉東等人研究了豎嵌CFRP板增強膠合木梁的受彎性能，其研究表明豎嵌CFRP板條層板增強的膠合木梁的受彎承載力及極限變形優于傳統橫嵌CFRP板的增強方式，受彎承載力和剛度分別比未增強梁提高了34.2%～52.3%和8.0%～28.5%[23]。

2014年，塞爾江等人采用CFRP布增強新疆楊木梁，對11根矩形截面新疆楊木梁的抗彎靜力試驗顯示在受拉區粘貼CFRP布是提高抗彎性能的有效方法[24]。

2019年，朱兆陽等人研究了FRP板隱蔽式增強古建筑殘損木梁的抗彎性能，結果表明增強梁的抗彎極限承載力、抗彎剛度較未增強梁均有顯著提升，最優增強木梁的抗彎性能與健康梁相當[25]。

1.2.2FRP筋增強木梁的試驗研究

2009年，許清風和朱雷采用內嵌CFRP筋增強老化損傷舊木梁的試驗研究表明:內嵌CFRP筋增強梁可提高受彎承載力；增強梁的破壞模式為延性受壓破壞，而未增強梁為脆性破壞[26]。

2013年，淳慶等人對內嵌CFRP筋增強木梁的抗彎試驗結果表明：增強梁的抗彎承載力提高幅度分別為9.1%～16.9%(松木)和5.7%～21.6%(杉木)，延性也高于未增強梁[27]。

1.2.3FRP抗剪切增強木梁的試驗研究

截至目前，FRP增強木梁受剪性能的研究較少。木材為各向異性材料，其應力分布、剪切破壞形態以及木梁孔洞附近的應力分布形式不同于混凝土梁。FRP抗剪切增強木梁主要應對木材順紋抗剪能力較弱的因素，常用增強方法是在木梁剪跨區的兩側粘貼FRP增強層和設置FRP抗剪栓釘。

2011年，淳慶和潘建伍研究了經碳—芳混雜纖維布增強的松木和杉木梁的抗剪性能，結果表明，松木和杉木增強梁的抗剪承載力分別比未增強梁提高6.9%～109.6%和11.9%～103.6%[28]。

2 對目前研究的評述

2.1 缺乏對本構模型的研究成果

多數研究者計算FRP增強木梁的理論承載力時，木材的本構模型選擇Bazan于1980年提出的雙線性彈塑性模型(見圖2)[29]。Bazan模型認為木纖維受拉時表現為線彈性，受壓時在達到最大壓應力前應力應變保持線彈性關系，達到最大壓應力后應力線性降低而應變增長。截至目前，筆者尚未見到研究者提出新的本構模型。在試驗中，經過FRP增強后，增強梁受拉側應變顯著降低，木梁由增強前的木纖維受拉破壞轉變為受壓區破壞，表現為木纖維的壓皺褶和錯動撕裂，此時增強梁是否滿足平截面假定，需要更多的試驗數據支持。而目前所進行的試驗研究，一般均是在梁底和梁頂兩面貼應變片，而缺乏沿橫截面的應變測量數據，缺乏對平截面假定的驗證。

2.2 試件數量偏少

筆者統計了19項對FRP增強木梁所作的試驗研究，試件數量從4個到42個不等，平均值為13.8。木材屬于天然材料，具有內在的不均勻性，即使是無裂縫蟲蝕等損傷，也可能隱含各種微小缺陷，導致材料性能變異性比較大。國外同類的試驗研究選取的試件一般在數十件以上，更有超過200個試件的。因此，目前國內此方面的試驗研究選取的試件數量偏低。

2.3 缺乏長期性能研究

目前對FRP增強木梁的長期性能的研究報道很少，更缺乏在自然環境、惡劣環境中的長期性能研究。實踐中，只能參考復合材料研究領域的一些長期試驗結果，比如危成英等人對不同地區自然環境下CFRP復合材料的老化性能的試驗研究等[30]。

3 進一步研究的建議

筆者認為，未來可以增加如下幾個方面的研究：

1)結合新技術和新材料的發展，采用FRP型材、BFRP新材料以及施加預應力等新方法增強木梁的研究。

2)FRP增強木梁在自然環境、惡劣環境中的長期性能(疲勞和徐變等)的研究。

3)增加試驗研究的試件數量，增加木材的本構模型研究。

4)針對不同類型的初始缺陷，如槽朽、蟲蝕、裂紋和木節等，對FRP增強含缺陷木梁的研究等。