熊海貝， 劉應(yīng)揚， 姚　亞， 李冰陽

(同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

?

梁柱式木結(jié)構(gòu)加固方法及抗側(cè)力性能試驗研究

熊海貝， 劉應(yīng)揚， 姚亞， 李冰陽

(同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

摘要：為研究梁柱式膠合木結(jié)構(gòu)在加固后的抗側(cè)力性能，對9榀單層單跨梁柱式木框架足尺試件進行了低周反復(fù)荷載試驗，其中3榀為未損壞對照組試件，6榀為加固組試件.考慮了節(jié)點區(qū)域包裹碳纖維布(FRP)和植入自攻螺釘2種加固方法，及純框架和隅撐框架2種結(jié)構(gòu)體系形式.根據(jù)試驗現(xiàn)象和試驗數(shù)據(jù)的分析，探討了木結(jié)構(gòu)加固方法的可行性，對比了不同方法的效果和差異，研究了各組試件在反復(fù)荷載作用下的破壞模式、剛度、變形和耗能等力學(xué)性能.結(jié)果表明，2種加固方法均可以有效地抑制裂縫開展，并能夠恢復(fù)結(jié)構(gòu)的強度、剛度、耗能等力學(xué)性能；受損的梁柱式木結(jié)構(gòu)框架，采用節(jié)點區(qū)域加固并增設(shè)隅撐，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能可以得到顯著的提高.

關(guān)鍵詞：膠合木； 梁柱式木結(jié)構(gòu)； 加固； 碳纖維布； 自攻螺釘； 低周反復(fù)加載

現(xiàn)代梁柱式木結(jié)構(gòu)，多使用木材利用率高、性能更穩(wěn)定的膠合木；在節(jié)點連接方面，也逐漸以金屬連接件取代木榫卯連接的形式.木結(jié)構(gòu)的節(jié)點具有一定的半剛性能力[1-2]，在地震作用、風荷載等側(cè)向荷載作用下，節(jié)點將承受一定的彎矩，易導(dǎo)致節(jié)點區(qū)域木材劈裂.木材的材料特性與鋼材、混凝土等材料差異較大，木結(jié)構(gòu)的加固方法需要進行相應(yīng)的研究.

現(xiàn)階段，國內(nèi)學(xué)者針對木結(jié)構(gòu)加固，在應(yīng)用纖維布(fiber reinforced polymer,FRP)的方面研究較多；采用自攻螺釘(self tapping screw)限制木材開裂的應(yīng)用和研究則多集中在歐美等國家.楊會峰等[3]對FRP加固膠合木梁受彎性能進行了試驗研究，對比分析了6根普通木梁和21根FRP加固木梁的極限荷載與抗彎剛度等結(jié)構(gòu)性能，并探討了構(gòu)件的破壞形態(tài)與破壞機理.結(jié)果表明，F(xiàn)RP可避免或延緩木梁的受拉脆性破壞，降低木材缺陷對其受彎性能的影響，充分利用木材的抗壓強度并顯著提高構(gòu)件的剛度和延性性能.邵勁松等[4]對FRP約束木柱軸心抗壓性能進行了試驗研究，結(jié)合15根FRP加固木柱詳細探討受載后試件的工作機理和破壞模式.結(jié)果表明，F(xiàn)RP橫向加固木柱可提高木柱的抗壓承載力，改善木柱的延性.姬卓[5]研究了FRP布不同粘貼方式和層數(shù)對木梁的加固效果.Li等[6]對不同包裹方式下FRP加固木柱的軸心受壓性能進行了試驗研究，對比了環(huán)形包裹、單螺旋包裹、雙螺旋包裹以及交叉螺旋包裹等包裹方式的影響.Echavarría等[7]采用CFRP(碳纖維布)、GFRP(玻璃纖維布)、金屬板、竹纖維等加固膠合木梁，比較了不同材料加固木梁對于強度和剛度的提高程度.Echavarría等[8]對螺栓-鋼插板節(jié)點進行了自攻螺釘加固，試驗及數(shù)值分析結(jié)果表明，加固后的節(jié)點不易出現(xiàn)脆性劈裂破壞，且在承載能力上有一定的提高，橫紋方向進行加固的節(jié)點連接可以適當減弱順紋方向的螺栓邊距要求.Lam等[9]對30個螺栓-鋼插板連接膠合木節(jié)點的抗彎性能進行了試驗研究，試件分為未加固常規(guī)試件、自攻螺釘加固常規(guī)試件和自攻螺釘修復(fù)損壞試件.試驗結(jié)果表明，采用自攻螺釘加固和修復(fù)的試件，其抗彎承載力分別是未加固常規(guī)試件的1.70倍和1.53倍.Kasal等[10]對膠合木梁柱節(jié)點區(qū)域交叉植入自攻螺釘，同時在梁端部設(shè)置硬木擋塊，隨后對該類節(jié)點進行了低周反復(fù)試驗，對采用該類節(jié)點的梁柱框架實施了振動臺試驗.結(jié)果表明，采用自攻螺釘結(jié)合擋塊設(shè)計的梁柱節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度較大，基本可以滿足剛性節(jié)點的要求.Yeh等[11]研究了自攻螺釘對膠合木節(jié)點性能的影響，考慮了不同的自攻螺釘長度、直徑以及螺紋類型等參數(shù)，并指出植入自攻螺釘可以提高節(jié)點的初始剛度.膠合木在使用中會因含水率變化產(chǎn)生橫紋方向上的應(yīng)力，從而影響構(gòu)件的承載力.Angst等[12]針對該問題，研究了構(gòu)件中植入自攻螺釘?shù)挠绊?，指出自攻螺釘可以提供有效的加強作用，同時該加強作用在濕度增加的情況下好于濕度降低的情況.

綜合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，針對梁柱式木結(jié)構(gòu)加固的研究工作，多集中在節(jié)點和構(gòu)件層面，而在結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和研究較少.結(jié)構(gòu)相對于節(jié)點和構(gòu)件，受到的干擾因素更多，力學(xué)性能的變異性更大，在推廣工程應(yīng)用之前，進行結(jié)構(gòu)層面的試驗研究是不可或缺的，為此，本文針對加固的梁柱式膠合木框架結(jié)構(gòu)進行抗側(cè)力性能試驗，考慮節(jié)點區(qū)域包裹FRP和植入自攻螺釘2種加固方法，探討本文木結(jié)構(gòu)加固方法的可行性，對比不同方法的效果和差異，研究各組試件在反復(fù)荷載作用下破壞模式、剛度、變形和耗能等力學(xué)性能.

1試驗概況

1.1試件設(shè)計

試驗共設(shè)計9榀梁柱式木結(jié)構(gòu)框架試件，分為未損壞對照組試件和加固組試件.對照組試件采用全新的工廠預(yù)制構(gòu)件，僅在現(xiàn)場拼裝，包括2榀純框架試件和1榀隅撐框架試件；加固組試件中梁、柱構(gòu)件采用試驗[13]中受損的梁、柱構(gòu)件(柱底、梁端有不同程度的裂縫)，支撐構(gòu)件為全新工廠預(yù)制，梁、柱現(xiàn)場開槽與支撐構(gòu)件拼裝，包括1榀FRP加固純框架試件、1榀自攻螺釘加固純框架試件、2榀FRP加固隅撐框架試件和2榀自攻螺釘加固隅撐框架試件.9榀框架均為足尺試件，跨度均為4 110 mm，高度均為2 740 mm，跨高比3∶2，如表1所示.

表1　試件類型

梁、柱、支撐構(gòu)件均采用層板膠合木，木材均為加拿大進口的云杉-松-冷杉規(guī)格材，材質(zhì)等級為II級，由蘇州皇家整體住宅系統(tǒng)股份有限公司進行膠合，膠合后的強度等級為TC11A.試件材料及截面尺寸見表2.梁柱節(jié)點、柱腳節(jié)點均采用螺栓-鋼插板做法，梁柱接觸處、柱與基礎(chǔ)接觸處不設(shè)置預(yù)留縫.在試驗期間，試件的含水率在12%～14%之間.

本文試件設(shè)計的目的是：①探討梁柱式木結(jié)構(gòu)加固處理的方法及流程；②研究對照組、加固組框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能，對比剛度、變形及耗能等力學(xué)參數(shù)指標；③研究受損的梁柱式木結(jié)構(gòu)框架，采用節(jié)點區(qū)域加固并增設(shè)隅撐方案的可行性和工程實用性；④對比節(jié)點區(qū)域包裹FRP加固方法和植入自攻螺釘加固方法的效果和差異.

1.2試件加固方法及流程

受損節(jié)點加固流程為：①對梁、柱進行支護，更換變形嚴重的螺栓，同時清除梁柱節(jié)點及柱底節(jié)點表面的灰塵、木屑等污物.②采用結(jié)構(gòu)膠(本文采用PM516/500雙組份液體聚氨酯黏合劑)灌注裂縫，夾具夾持閉合裂縫，養(yǎng)護直到膠固化.需要特別說明的是本試驗中結(jié)構(gòu)膠的作用主要是閉合裂縫，恢復(fù)梁、柱構(gòu)件節(jié)點的劈裂變形.③對節(jié)點區(qū)域包裹FRP或植入自攻螺釘，用以加強結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能.

1.2.1FRP加固

按圖1在木構(gòu)件表面標出粘貼碳纖維布的區(qū)域，加固區(qū)域表面打磨光滑，轉(zhuǎn)角做倒角處理.將碳纖維布裁成相應(yīng)尺寸，避開螺栓孔，在節(jié)點處刷膠黏劑，在梁柱節(jié)點及柱底節(jié)點外包碳纖維布.養(yǎng)護直到膠起強度.根據(jù)計算和參考相關(guān)文獻[6，14]，本文選擇3層包裹，碳纖維布選用上海怡昌碳纖維材料有限公司生產(chǎn)的同固牌碳纖維布，黏結(jié)劑為纖維布配套環(huán)氧樹脂膠，碳纖維布的材性如表3所示.

a梁柱詳圖b柱底詳圖

圖1　FRP加固節(jié)點詳圖(單位：mm)

1.2.2自攻螺釘加固

按圖2在木構(gòu)件表面標出打入自攻螺釘?shù)奈恢?考慮打入自攻螺釘后木材截面的消弱，為避免木柱或木梁在端部被自攻螺釘沖剪破壞等問題，自攻螺釘打入位置從第1，2排螺栓之間開始.用鉆機在相應(yīng)位置打入自攻螺釘，操作時保證自攻螺釘垂直打入.試驗采用德國伍爾特公司生產(chǎn)的型號為ASSY Plus VG自攻螺釘，自攻螺釘長280 mm，直徑8 mm，屈服彎矩20 N·m，抗拉承載力20 kN.

a梁柱立面圖b梁柱俯視圖

c柱底立面圖d柱底側(cè)視圖

圖2自攻螺釘加固節(jié)點詳圖(單位：mm)

Fig.2Joint reinforced with self tapping

screws (unit: mm)

1.3試驗裝置

試驗在同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室進行，采用申克加載系統(tǒng)進行單調(diào)和低周反復(fù)加載，如圖3所示.申克機設(shè)計推力為±630 kN，位移量程為±250 mm；申克機固定在反力墻上，與左側(cè)柱頂鋼板通過球鉸連接.申克機施加推力時，通過左側(cè)鋼板直接傳力到試件；施加拉力時，先通過鋼拉桿傳力至右側(cè)鋼板，再由右側(cè)鋼板傳力到試件，從而避免試件節(jié)點的局部拉壞.安裝在龍門架上的鋼滾軸用于限制試件平面外的變形.柱底鋼板與地梁采用8個M22螺栓連接，地梁與實驗室水泥臺座牢固固定.

圖3　試驗加載裝置示意

1.4加載制度

低周反復(fù)試驗采用位移加載，加載制度參考美國材料與試驗協(xié)會ASTM E2126-11標準[15]中的方法B(ISO16670標準).先采用極限位移值Δm的1.25%，2.50%，5.00%，7.50%和10.00%依次進行1個循環(huán)加載，再采用極限位移值Δm的20%，40%，60%，80%，100%和120%依次進行3個循環(huán)加載至結(jié)構(gòu)破壞.低周反復(fù)加載的Δm根據(jù)單調(diào)加載試驗[13]確定.純框架結(jié)構(gòu)體系極限位移Δm,F=250 mm，隅撐結(jié)構(gòu)體系極限位移Δm,HB=40 mm.試驗中規(guī)定推力為正，拉力為負.試驗終止條件為：①力控制，承載力下降至極限荷載的80%(參考ASTM E2126-11標準)；②位移控制，結(jié)構(gòu)側(cè)向位移達到250 mm(層間位移角約為1/11，結(jié)構(gòu)已不宜繼續(xù)承載).

2試驗現(xiàn)象及破壞模式

2.1對照組純框架結(jié)構(gòu)

試驗中隨著側(cè)向位移的增加，梁柱節(jié)點表現(xiàn)為局部頂緊；局部頂緊使梁柱之間、柱與柱底鋼板之間形成了一定的縫隙.在側(cè)向位移加載至50 mm時(1/55位移角)，柱底節(jié)點首先出現(xiàn)了裂縫；梁端木材在側(cè)向位移約為100 mm(1/27位移角)時，也發(fā)生了劈裂.在后續(xù)的試驗中，柱底和梁端的木材裂縫繼續(xù)開展(圖4)，但結(jié)構(gòu)的承載力并沒有顯著地下降，試驗在達到位移失效限值250 mm(1/11位移角)時終止.

當結(jié)構(gòu)受到側(cè)向荷載時，半剛性的節(jié)點承受一定的彎矩，從而使節(jié)點處木材出現(xiàn)橫紋拉應(yīng)力和順紋剪應(yīng)力，導(dǎo)致節(jié)點處過早開裂破壞，因此，對照組純框架結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出“弱節(jié)點、強構(gòu)件”的破壞模式.

a梁柱節(jié)點破壞情況b柱底節(jié)點破壞情況

圖4對照組純框架結(jié)構(gòu)破壞模式

Fig.4Failure mode of regular simple frame

2.2加固組純框架結(jié)構(gòu)

FRP加固純框架結(jié)構(gòu).在試驗初期，當側(cè)向位移達到12 mm(1/228位移角)左右時，柱表面一些膠黏劑碎裂，柱腳發(fā)出輕微的響聲.側(cè)向位移達到100 mm(1/27位移角)時，柱底未包裹FRP區(qū)域的木材劈裂，但裂縫僅發(fā)展至第1道FRP處即終止，并未繼續(xù)向上開展，柱底節(jié)點基本完好；位移達到約150 mm(1/18位移角)時，梁端未包裹FRP區(qū)域的木材劈裂，但同樣受到FRP約束，未繼續(xù)開展；結(jié)構(gòu)的承載力持續(xù)上升，在加載至250 mm(1/11位移角)時，試驗終止，此時結(jié)構(gòu)構(gòu)件和梁柱節(jié)點均無明顯破壞現(xiàn)象出現(xiàn)(圖5).

a梁柱節(jié)點破壞情況b柱底節(jié)點破壞情況

圖5FRP加固純框架結(jié)構(gòu)破壞模式

Fig.5Failure mode of simple frame

reinforced with FRP

自攻螺釘加固純框架結(jié)構(gòu).隨著試驗加載，在側(cè)向位移達到50 mm(1/55位移角)時，柱底開始出現(xiàn)裂縫；當位移達到100 mm(1/27位移角)時，裂縫開展至第1道自攻螺釘和第2道自攻螺釘之間，但在后續(xù)的加載中，裂縫并未繼續(xù)發(fā)展；當側(cè)向位移達到150 mm(1/18位移角)時，梁端出現(xiàn)裂縫，該裂縫開展至第一道自攻螺釘處終止；后續(xù)加載至250 mm(1/11位移角)過程中，結(jié)構(gòu)的承載力繼續(xù)上升，有新裂縫出現(xiàn)，但均被限制在第2道自攻螺釘以內(nèi)(圖6).

a梁柱節(jié)點破壞情況b柱底節(jié)點破壞情況

圖6自攻螺釘加固純框架結(jié)構(gòu)破壞模式

Fig.6Failure mode of simple frame reinforced

with self tapping screws

綜上，2種加固方法均對節(jié)點處的裂縫開展起到良好的限制作用，梁柱式木結(jié)構(gòu)框架的“弱節(jié)點”失效模式得到了一定的改善，結(jié)構(gòu)的承載能力也有增強.FRP和自攻螺釘加固的試件，木材開裂均被控制在第2道加固以內(nèi)，因此在工程應(yīng)用中，宜采用2道或3道加固.

2.3對照組隅撐框架結(jié)構(gòu)

在加載的初期，側(cè)向位移小于16 mm(1/171位移角)時，無明顯的破壞現(xiàn)象，但梁柱、柱腳、支撐連接節(jié)點處木材與螺栓頂緊，發(fā)出明顯的咯咯聲.隨著側(cè)向位移的增加，支撐連接鋼板處有輕微錯動，隨后柱腳、梁端依次產(chǎn)生裂縫.在加載位移為150 mm(1/18位移角)時，右側(cè)受壓支撐與梁連接處的鋼板發(fā)生平面外屈曲，支撐劈裂，在該級荷載受拉過程中，右側(cè)支撐上端節(jié)點處的螺栓被逐個剪斷，右側(cè)支撐完全退出工作(圖7).隨后的加載過程中，左側(cè)支撐除連接鋼板處發(fā)生了輕微屈曲外，基本完好，而左柱腳、梁左端裂縫開展明顯，結(jié)構(gòu)承載力逐漸下降，直至加載結(jié)束.

a支撐鋼板屈曲b支撐劈裂

圖7對照組隅撐框架結(jié)構(gòu)破壞模式

Fig.7Failure mode of regular frame with knee-brace

2.4加固組隅撐框架結(jié)構(gòu)

在柱底、梁端木材劈裂控制方面，加固效果與加固組純框架一致，梁柱節(jié)點得到了較好的保護.加固組隅撐框架結(jié)構(gòu)的破壞均是由支撐構(gòu)件失效導(dǎo)致的，表現(xiàn)為支撐節(jié)點的破壞，即支撐連接鋼板屈曲、支撐劈裂和支撐螺栓剪斷，因此2種加固效果基本一致，僅在失效位移和極限承載力方面略有差異.

3試驗結(jié)果與分析

3.1滯回曲線和主要力學(xué)性能參數(shù)

框架在反復(fù)荷載作用下的滯回曲線可以反映結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，各試件的滯回曲線及骨架曲線如圖8所示.通過平均骨架曲線(正骨架曲線與負骨架曲線的絕對值取平均值)確定各結(jié)構(gòu)的峰值荷載Ppeak及相應(yīng)峰值位移Δpeak、結(jié)構(gòu)破壞時的極限位移Δu及相應(yīng)的極限荷載Pu.通過基于能量等效的理想彈塑性(EEEP)方法[15]，定義結(jié)構(gòu)的屈服荷載Pyield、屈服位移Δyield.各試件主要力學(xué)性能參數(shù)如表4所示，定義結(jié)構(gòu)的彈性階段剛度Ke=Pyield/Δyield.

圖8滯回曲線及骨架曲線

Fig.8Hysteresis and envelope

表4中對照組純框架結(jié)構(gòu)、加固組隅撐框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能參數(shù)分別取2個試件的平均值進行評價，從圖8、表4中可以看出：

(1)各試件的滯回曲線都表現(xiàn)出捏攏現(xiàn)象，這是螺栓連接梁柱式木結(jié)構(gòu)的特點，是因為在反復(fù)荷載作用下，螺栓與木材相互擠壓使木材出現(xiàn)順紋、橫紋方向的永久變形，導(dǎo)致連接節(jié)點在受力時發(fā)生滑移.

(2)加固組純框架結(jié)構(gòu)承載力.對照組純框架結(jié)構(gòu)的承載力為55.0 kN；FRP加固純框架結(jié)構(gòu)承載力為60.3 kN，自攻螺釘加固純框架承載力為69.0 kN，分別為對照組純框架結(jié)構(gòu)承載力的110%和125%，說明兩種加固方法均可以保證結(jié)構(gòu)承載能力的恢復(fù)；需要特別指出的是，加固組純框架在達到位移失效限值250 mm時，均未表現(xiàn)出明顯的屈服，結(jié)構(gòu)承載力仍有一定的提升空間.

(3)加固組純框架結(jié)構(gòu)彈性階段剛度.對照組純框架結(jié)構(gòu)的彈性階段剛度為0.35 kN·mm-1；FRP加固純框架結(jié)構(gòu)彈性階段剛度為0.25 kN·mm-1，為對照組純框架結(jié)構(gòu)的71%，這是因為節(jié)點區(qū)域包裹FRP難以形成預(yù)緊作用，只能被動限制木材開裂，并不能修復(fù)結(jié)構(gòu)的初始損傷而提高彈性階段剛度；自攻螺釘則是通長植入節(jié)點區(qū)域，螺紋對木材有預(yù)拉緊作用，使框架結(jié)構(gòu)的彈性階段剛度恢復(fù)，并有一定的提升，為0.40 kN·mm-1.

(4)對照組隅撐框架結(jié)構(gòu)的承載力是對照組純框架結(jié)構(gòu)的2.4倍，彈性階段剛度是對照組純框架結(jié)構(gòu)的2.5倍，因此，鑒于木結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點難以保證剛接的情況，在木結(jié)構(gòu)框架中設(shè)置隅撐構(gòu)件，既能兼顧建筑使用空間，又可以達到改善結(jié)構(gòu)抗側(cè)力性能的目的.

(5)加固組隅撐框架結(jié)構(gòu)承載力.FRP加固隅撐框架結(jié)構(gòu)承載力為122.9 kN，自攻螺釘加固隅撐框架承載力為116.9 kN，與對照組純框架結(jié)構(gòu)相比，分別為其的2.2倍和2.1倍，加固效果良好；與對照組隅撐框架結(jié)構(gòu)相比，承載力略低，為它的94%和89%.

(6)加固組隅撐框架結(jié)構(gòu)彈性階段剛度.FRP加固隅撐框架結(jié)構(gòu)彈性階段剛度為0.75 kN·mm-1，自攻螺釘加固隅撐框架結(jié)構(gòu)為0.71 kN·mm-1，兩者分別為對照組純框架結(jié)構(gòu)的2.1倍和2.0倍，對受損結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的補強有明顯的效果；與對照組隅撐框架結(jié)構(gòu)相比，彈性階段剛度為它的85%和80%.

(7)綜上分析，F(xiàn)RP加固方法和自攻螺釘加固方法均可以有效地恢復(fù)受損梁柱式木結(jié)構(gòu)的抗側(cè)承載力，基于本文的加固尺寸規(guī)格，兩種方法恢復(fù)能力相近；FRP屬于外露包裹保護，自攻螺釘則具有內(nèi)置拉緊作用，在工程應(yīng)用中可以根據(jù)建筑構(gòu)造和防火要求等條件分類采用；在修復(fù)受損的梁柱式木結(jié)構(gòu)框架時，采用節(jié)點區(qū)域加固并增設(shè)隅撐，可以顯著地補強結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性能.

表4　試件主要力學(xué)性能參數(shù)

3.2剛度退化

為反映結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下結(jié)構(gòu)的剛度，以割線剛度來表示結(jié)構(gòu)的有效剛度[16].第i次有效剛度定義如下：

(1)

各試件在反復(fù)荷載下的有效剛度曲線如圖9所示，從圖9中可以看出：

(1)純框架結(jié)構(gòu)剛度退化.FRP加固純框架的初始剛度最高，這是因為節(jié)點區(qū)域包裹碳纖維布時，涂刷的膠黏劑有部分滲入了螺栓和鋼板的縫隙，對節(jié)點的剛度起到了一定的增強作用，隨著側(cè)向位移的增加，硬化的膠黏劑不斷碎裂，F(xiàn)RP加固純框架的有效剛度速度下降；在試驗中期，自攻螺釘加固純框架的有效剛度始終高于對照組純框架，同時FRP加固框架的有效剛度則低于對照組純框架，這也印證了前文的分析，即通長植入自攻螺釘具有主動拉緊作用，而包裹FRP則屬于被動限制開裂，純框架的有效剛度主要由節(jié)點剛度決定，因此這種加固差異也反映在有效剛度曲線上.

(2)隅撐框架結(jié)構(gòu)剛度退化.隅撐框架的剛度主要由支撐構(gòu)件決定，加固組試件的支撐是現(xiàn)場開孔開槽安裝，在精度上遜于工廠預(yù)制的對照組試件，這也反映在加固組試件的初始剛度變異性較大；隨著試驗加載的進行，加固組支撐的孔槽經(jīng)過擠壓，受力逐漸均勻，有效剛度趨于一致，在試驗中期均低于對照組試件；試驗后期，支撐構(gòu)件破壞，各組試件的剛度迅速下降，結(jié)構(gòu)的剛度轉(zhuǎn)為主要由節(jié)點剛度決定，與純框架結(jié)構(gòu)有效剛度曲線一致.

a 純框架結(jié)構(gòu)有效剛度

b 隅撐框架結(jié)構(gòu)有效剛度

3.3耗能能力

耗能作為衡量結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標，可以用滯回曲線所包圍面積的總和來衡量，其綜合反映了結(jié)構(gòu)剛度、延性等因素.

每個加載循環(huán)的耗能情況如圖10所示，從圖中可以看出：

(1)梁柱式木結(jié)構(gòu)框架的耗能主要來源于構(gòu)件之間的摩擦、螺栓的屈服、木材的塑性變形和劈裂；在大位移時結(jié)構(gòu)的耗能顯著增加，這是由于梁、柱構(gòu)件發(fā)生了劈裂，釋放了大量的彈性應(yīng)變能，而在同一位移幅值的第2次、第3次循環(huán)時，因為沒有新的裂縫產(chǎn)生，所以耗能下降明顯.

(2)純框架結(jié)構(gòu)的耗能.加固組節(jié)點區(qū)域的木材得到增強，在與螺栓相互作用時，螺栓的屈服程度增加，因此加固組的結(jié)構(gòu)耗能始終好于對照組試件；在加載的后期，對照組試件的耗能能力已出現(xiàn)下降的趨勢，而加固組試件限制了木材的開裂，螺栓在大位移下可以持續(xù)提供屈服耗能.

(3)隅撐框架結(jié)構(gòu)的耗能.試驗前、中期，結(jié)構(gòu)的耗能主要由支撐構(gòu)件中的螺栓屈服提供，因此各組試件的耗能能力基本一致；試驗中后期，支撐劈裂退出工作，反映在各組試件在該階段的能量耗散的劇烈波動；在試驗后期，結(jié)構(gòu)的耗能形式與純框架結(jié)構(gòu)類似，對照組試件的耗能弱于加固組試件.

a 純框架結(jié)構(gòu)各加載循環(huán)耗能

4結(jié)論

基于對試驗現(xiàn)象的觀察以及對試驗數(shù)據(jù)的分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)本文兩種加固方法均對節(jié)點處的裂縫開展起到良好的限制作用，梁柱式木結(jié)構(gòu)框架的“弱節(jié)點”失效模式得到了有效的改善；FRP和自攻螺釘加固的試件，木材開裂均被控制在第2道加固以內(nèi)，在工程應(yīng)用中，宜采用2道或3道加固.

(2)加固組純框架試件的承載力與對照組純框架相當；由于受損梁、柱初始損傷的存在，F(xiàn)RP加固純框架的彈性剛度低于對照組純框架結(jié)構(gòu)，自攻螺釘有一定的預(yù)拉緊作用，結(jié)構(gòu)的彈性剛度有所提高；FRP屬于外露包裹保護，自攻螺釘具有內(nèi)置拉緊作用，在工程應(yīng)用中可以根據(jù)建筑構(gòu)造和防火要求等條件分類采用.

(3)加固組隅撐框架試件相對于對照組隅撐框架，承載力和剛度得到了恢復(fù)；相對于對照組純框架試件，承載力和剛度有顯著的提升；在工程中，針對受損的梁柱式純框架結(jié)構(gòu)，在節(jié)點處進行FRP或自攻螺釘加固并增設(shè)隅撐，可以得到良好的效果.

(4)加固組試件相比于對照組試件，耗能能力均得到了恢復(fù)；其中純框架試件，由于節(jié)點區(qū)域木材得到了加強，從而使螺栓在大位移下可以持續(xù)提供屈服耗能，結(jié)構(gòu)的耗能能力有所提升.

參考文獻:

[1]隋允康，常婧雅，葉紅玲. 木結(jié)構(gòu)半剛性節(jié)點的數(shù)值模擬[J]. 北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，37(9): 1298.

SUI Yunkang, CHANG Jingya, YE Hongling. Numerical simulation of semi-rigid nodes in timber structure based on finite element method [J]. Journal of Beijing University of Technology, 2011, 37(9): 1298.

[2]王明謙，宋曉濱，顧祥林，等. 膠合木梁柱螺栓-鋼填板節(jié)點轉(zhuǎn)動性能研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2014，35(9): 141.

WANG Mingqian, SONG Xiaobin, GU Xianglin,etal. Study on rotational behavior of bolted glulam beam-to-column connections with slotted-in steel plates [J]. Journal of Building Structures, 2014, 35(9): 141.

[3]楊會峰，劉偉慶. FRP增強膠合木梁的受彎性能研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2007，28(1): 64.

YANG Huifeng, LIU weiqing. Study on flexural behavior of FRP reinforced glulam beams [J]. Journal of Building Structures, 2007, 28(1): 64.

[4]邵勁松，薛偉辰，劉偉慶，等. FRP橫向加固木柱軸心受壓性能計算[J]. 土木工程學(xué)報，2012，45(8): 48.

SHAO Jinsong, XUE Weichen, LIU weiqing,etal. Calculation of axial compressive behavior of timber column laterally strengthened with FRP [J]. China Civil Engineering Journal, 2012, 45(8): 48.

[5]姬卓. CFRP材料加固木梁性能研究[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2009.

JI Zhuo. Research on reinforcement of timber structures with CFRP materials [D]. Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2009.

[6]Li L, Yuan S, Dong J,etal. An experimental study on the axial compressive behavior of timber columns strengthened by FRP sheets with different wrapping methods [C] // Applied Mechanics and Materials. 3rd International Conference on Civil Engineering, Architecture and Building Materials. Jinan: Trans Tech Publications, 2013: 1419-1422.

[7]Echavarría C, Echavarría B, Caola H. Bamboo reinforced glulam beams:an alternative to punched metal plate, GFRP and CFRP reinforced glulam beams [C] // Proceedings of the 13th World Conference on Timber Engineering (WCTE). Quebec City: WCTE, 2014: 1-6.

[8]Echavarría C. Bolted timber joints with self-tapping screws [J]. Revista EIA, 2007(8): 37.

[9]Lam F, Gehloff M, Closen M. Moment-resisting bolted timber connections [J]. Structures and Buildings, 2010, 163(4): 267.

[10]Kasal B, Guindos P, Polocoser T,etal. Heavy laminated timber frame with rigid threedimensional beam-to-column connections [J]. Journal of Performance of Constructed Facilities，2014, 28(S): A4014014.

[11]Yeh M, Lin Y, Huang G. Investigation of the structural performance of glulam beam connections using self-tapping screws [J]. Journal of Wood Science, 2014, 60(1): 39.

[12]Angst V, Malo K. Effect of self-tapping screws on moisture induced stresses in glulam [J]. Engineering Structures, 2012, 45(2012): 299.

[13]熊海貝，劉應(yīng)揚，楊春梅，等. 梁柱式膠合木結(jié)構(gòu)體系抗側(cè)力性能試驗[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，42(8): 1167.

XIONG Haibei, LIU Yingyang, YANG Chunmei,etal. Experimental study on lateral resistance of glued-laminated timber post and beam systems [J]. Journal of Tongji University: Natural Science, 2014, 42(8): 1167.

[14]André1 A, Johnsson H. Flax fiber-reinforced glued-laminated timber in tension perpendicular to the grain experimental study and probabilistic analysis [J]. Journal of Material in Civil Engineering, 2010, 22(9):827.

[15]ASTM International. ASTM E2126-11 Standard test methods for cyclic (reversed) load test for shear resistance of vertical elements of the lateral force resisting systems for buildings [S]. West Conshohocken: ASTM International, 2012.

[16]中華人民共和國建設(shè)部. JGJ101—1996 建筑抗震試驗方法規(guī)程[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997.

Ministry of Construction of the People’s Republic of China. JGJ101—1996 Specificating of testing methods for earthquake resistant building [S]. Beijing: China Architecture & Building Press, 1997.

Experimental Study of Reinforcement Methods and Lateral Resistance of Glued-Laminated Timber Post and Beam Structures

XIONG Haibei, LIU Yingyang, YAO Ya, LI Bingyang

(College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract：In order to study the lateral resistance of reinforced damaged glued-laminated timber post and beam structures, nine cyclic tests on full-scale one-storey, one-bay timber post and beam construction specimens were conducted, including three regular specimens as the control group and six reinforced specimens as the study group. Two reinforcement methods (wrapping the joints with fiber reinforced polymer (FRP) and implanting self tapping screws in the joints) and two structural systems (simple frame and frame with knee-brace) were considered in the experimental tests. Based on the experimental phenomena and test results, the feasibility of the reinforcement was discussed, the contribution between different methods was evaluated, and the seismic performances of the specimens were studied. The results show that both the two reinforcement methods can restrain the development of crack, and recover the strength, stiffness and energy dissipation capacity, and that the lateral resistance can be improved significantly when the failed timber frame retrofitted by reinforcing the joint and adding knee-brace. This approach can be very practical in engineering.

Key words：glued-laminated timber; timber post and beam structure; reinforcement; fiber reinforced polymer; self tapping screw; cyclic test

收稿日期：2015-06-02

通訊作者：劉應(yīng)揚(1987—)，男，博士生，主要研究方向為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu). E-mail: 12liuyingyang@#edu.cn

中圖分類號：TU366.2

文獻標志碼：A

第一作者： 熊海貝(1964—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向為混凝土結(jié)構(gòu)、現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)及混合結(jié)構(gòu)的抗震性能.

E-mail: xionghaibei@#edu.cn