林華藝，季 韜，代庭葦，林旭健，張 鷹

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.福州大學(xué)建筑學(xué)院，福建 福州 350116)

燕尾榫樣式對CFRP加固榫卯接長木梁抗彎性能影響試驗

林華藝1，季 韜1，代庭葦1，林旭健1，張 鷹2

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.福州大學(xué)建筑學(xué)院，福建 福州 350116)

通過11根木梁的靜力受彎試驗，研究燕尾榫樣式對榫卯接長木梁加固后的抗彎性能的影響.試驗結(jié)果表明，未加固前榫卯接長木梁承載力較低，僅為完整木梁的1.00%～2.62%，經(jīng)CFRP布加固后其抗彎承載力可提高至完整木梁的50%～83.33%；旋轉(zhuǎn)90°后，傳統(tǒng)燕尾榫進行榫卯接長和采用榫頭帶榫肩接長，其抗彎承載力和能量吸收能力提高.燕尾榫榫頭斜率從0.1變化至0.3，木梁的抗彎承載力和能量吸收能力隨之提高，其抗彎承載力分別可達完整木梁的71.43%～83.33%，能量吸收能力分別達完整木梁的43.01%～61.33%.當燕尾榫榫頭長度超過傳統(tǒng)燕尾榫榫頭長度時，其抗彎承載力、能量吸收能力和剛度反而降低.

木梁；碳纖維布；榫卯節(jié)點；抗彎承載力；能量吸收能力

0 引言

木結(jié)構(gòu)建筑中，傳統(tǒng)古建筑木結(jié)構(gòu)由于制造工藝極其復(fù)雜、歷史悠久且不可復(fù)制，具有極高的歷史、科學(xué)和藝術(shù)價值.目前，我國大量古建筑木結(jié)構(gòu)房屋存在局部構(gòu)件破損問題，主要有以下幾種破壞形態(tài)[1-3]：

① 梁架歪閃及梁、枋構(gòu)件的彎曲折斷；② 柱子下沉、歪閃等；③ 斗栱扭曲變形；④ 屋面漏雨；⑤ 檁子糟朽、折斷、拔榫等.其中：梁、枋等受彎構(gòu)件由于年久漏朽、蟲蛀或荷載加大等原因[4]，構(gòu)件承載力退減，容易出現(xiàn)梁柱榫卯節(jié)點脫卯現(xiàn)象以及梁端腐朽問題.針對木梁及梁柱節(jié)點處維修加固的方法有貼補法、嵌補法、剔補法、下?lián)问嚼瓧U加固法、扁鋼加固法、夾接法、托接法和更換新構(gòu)件法等[5-8].上述方式在維修加固過程中都需要額外增加鐵器、鋼板，從而改變了木質(zhì)本身所具有的特殊紋理樣貌，而且鋼鐵的加入會導(dǎo)致銹蝕和增重等新問題.對此，在研究總結(jié)木結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的修補加固技術(shù)及借鑒混凝土加固技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用纖維增強復(fù)合材料(fiber reinforced polymer, FRP)對木結(jié)構(gòu)進行加固.FRP是一種輕質(zhì)高強、耐腐蝕、耐久性好、易于剪裁、施工性能好的新型材料[8]，在木構(gòu)件表面粘貼時不會增加重量，并可利用彩繪等裝飾手法進行覆蓋，不影響外觀，從而更大程度上保留古建筑的原有樣貌，保護了文物本身的歷史、文化、藝術(shù)和科學(xué)價值.

早在20世紀60年代，Wangaard[9]就研究了玻璃纖維增強復(fù)合材料(GFRP)對木梁彈性撓曲性能的影響，得出了GFRP加固后的木梁具有較好的抗彎性能，能在一定程度上提高木梁的抗彎承載力.近年來，國內(nèi)外學(xué)者相繼對不同的FRP粘貼方式、層數(shù)、類型等對加固后木梁抗彎承載力、延性及剛度的影響展開相關(guān)研究[10-14]，其中：張風亮[15]分別用碳纖維布和扁鋼加固木結(jié)構(gòu)，對比了兩種加固方式下木結(jié)構(gòu)抗震能力，提出碳纖維布和扁鋼加固殘損榫卯節(jié)點的抗彎承載力計算方法及加固設(shè)計建議.姬卓[16]研究表明, 碳纖維布能提高木梁的極限承載力、延性和剛度.馬建勛等[17]研究了碳纖維布粘貼數(shù)量對木梁抗彎性能的影響，得出隨著配布率的增加，木梁極限承載力呈現(xiàn)非線性增大，且U形箍等錨固、構(gòu)造措施至關(guān)重要，能保證碳纖維布與木梁協(xié)同工作，加固效果明顯.Triantafi1lou[18]提出FRP與材料之間的剪切過渡區(qū)，同樣得出經(jīng)過FRP材料加固后的木梁，其抗剪性能得到大幅提高.

盡管國內(nèi)外學(xué)者對FPR加固木梁已有一定研究，但是鑒于傳統(tǒng)古建筑木結(jié)構(gòu)中常見的木梁兩邊端部腐爛糟朽的現(xiàn)象，本課題組提出一種新的維修方法：將木梁兩端已腐爛糟朽的部分鋸掉，用兩段未腐朽的木材與原中間段完好的木梁通過榫卯方式拼接，組成與原來總長相等的梁，同時, 在連接的節(jié)點包裹碳纖維(CFRP)布增強加固，這種方法可以保護未腐爛的中間段木梁[8].目前尚未有學(xué)者提出過榫卯接長木梁這一概念，并從事相關(guān)研究.開展FRP加固榫卯接長圓形截面木梁的研究，對保護古建筑具有十分重要的意義，本研究著重探討不同燕尾榫樣式對CFRP加固后榫卯接長木梁抗彎性能的影響.

1 試驗

1.1 試件的設(shè)計與制作

本試驗榫卯樣式及做法參照傳統(tǒng)工藝技術(shù)[19-20]，具體樣式見圖1及文[8]中圖1.

圖1 燕尾榫3號(單位：mm)Fig.1 Third tenon style (unit:mm)

選取規(guī)格相同的11根圓形截面木梁，截面直徑d=130 mm，木梁總長度L=2 000 mm，凈跨L0=1 800 mm.各試驗梁變化參數(shù)、榫頭長度、斜率及加固方案見表1.其中:L0為完整木梁(作為對比梁)，L1～L5為榫卯接長木梁(未采用CFRP布加固)，CL1～CL5為榫卯接長木梁(在榫卯接長處采用CFRP布加固).采用統(tǒng)一的加固方案，即本課題組已發(fā)表論文中的加固方案二[8]，具體見文[8]圖2.L3～L5是以L2為基礎(chǔ)、CL3～CL5是以CL2為基礎(chǔ)(即L3～L5、CL3～CL5的燕尾榫旋轉(zhuǎn)90°)進行參數(shù)變化得到，詳見表1.

表1 試驗梁參數(shù)Tab.1 Test beam parameters

注：K′表示斜率

1.2 木材的材料性能

試驗?zāi)玖喊础赌静奈锢砹W(xué)性能試驗方法》(GB1927～1943-09)[21]執(zhí)行，統(tǒng)一測得木材的主要力學(xué)性能指標見文[8]表2.

1.3 加固材料指標

CFRP布由福州駱駝商貿(mào)有限公司提供，粘結(jié)劑由杭州固安科技有限公司提供.經(jīng)測試，CFRP布性能指標和粘結(jié)劑性能指標分別見文[8]表3和表4.

2 試驗方案

2.1 加載方案

試驗在福州大學(xué)土木工程學(xué)院二號試驗室進行，對試驗?zāi)玖簩嵭袃牲c集中加載，采用液壓千斤頂手動緩慢加載，即將千斤頂放于荷載分配梁上，再由鋼墊板將荷載傳遞到試驗?zāi)玖?根據(jù)《木結(jié)構(gòu)試驗標準》(GB/T 50329-2012)[22]，為了保證測得承載力的準確性，在試驗加載過程中實行逐級加荷方式，先進行預(yù)加載(即先加載至2 kN，而后卸載)，在保證每個儀器能正常工作后，再從0開始每級加載3 kN，每加載一級，保持荷載穩(wěn)定2.5 min，待開始有輕微響聲后，每級加載量改為1～2 kN，加載至破壞.

2.2 量測方案

試驗測量內(nèi)容包括梁跨中位移、支座沉降、加載點位移，同時觀察和記錄木梁的破壞情況.各試驗梁沿梁長共設(shè)置5個位移計，數(shù)據(jù)通過DH3816靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進行采集.試件加載裝置及測點布置詳見文[8]圖3.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗結(jié)果

試件L0，右端截面存在一定的初始裂縫.當荷載P=24 kN時，有開裂響聲發(fā)出；當P=30 kN時，右側(cè)端面裂縫由原本的非貫通轉(zhuǎn)至貫通狀態(tài)，貫通后在木梁截面高度1/2處，沿梁縱向出現(xiàn)順紋剪切錯動裂縫，木梁受拉區(qū)與受壓區(qū)開始錯開，隨著荷載增大，錯開位移增大；當P=42 kN時，木梁右側(cè)發(fā)出較大響聲，木梁右側(cè)受拉區(qū)與受壓之間錯開明顯，在加載點處由于受拉區(qū)存在木節(jié)，發(fā)生受拉破壞.當進一步加載時，力傳感器顯示的荷載值明顯下降，為保護試驗儀器，試驗停止，破壞形態(tài)見圖2.卸載后，試件的變形有部分回彈，但仍保留部分殘余變形.試件L0發(fā)生順紋剪切破壞，在梁高1/2處，沿梁縱向出現(xiàn)水平方向的相互錯動現(xiàn)象，由于錯動后減小了木材之間的連接面積，木材順紋抗剪能力降低，從而發(fā)生破壞；當純彎段存在較多木節(jié)時，會在木節(jié)處發(fā)生彎曲破壞.

圖2 試件L0破壞形態(tài)Fig.2 Failure modes of specimen L0

試件L1，未經(jīng)加固榫卯接長木梁承載力很小，故采用吊籃逐級添加砝碼的形式進行加載.由于右端榫卯接長處在初始加工時連接不夠緊實，因此，當荷載P=0.16 kN時，右端榫卯處開始拔榫；P=0.47 kN，左端榫卯處也開始拔榫；當P=1.02 kN時，左邊拔榫嚴重(圖3)，停止加載.

試件L2～L5試驗結(jié)果類似，在荷載較小的情況下出現(xiàn)拔榫現(xiàn)象，隨著荷載緩慢增加，榫卯處撓度迅速增大，而后全部拔出，荷載與撓度值見表2，破壞形態(tài)見圖4.

圖3 試件L1卯口脹裂破壞Fig.3 Failure modes of specimen L1

圖 4 試件L2～L5卯口劈裂破壞 Fig.4 Failure modes of specimen L2～L5

表2 試驗結(jié)果Tab.2 Test results

注：P1指開始拔榫或FRP布剝離時的荷載

圖5 試件CL1～CL5破壞形態(tài)Fig.5 Failure modes of specimen CL1～CL5

試件CL1～CL5在加載過程中有木材開裂響聲發(fā)出，隨著荷載增大，響聲逐漸變大，當荷載達到剝離荷載時，會有突然的巨響，此時，榫卯接長處粘貼的CFRP布開始剝離，接長處撓度迅速增長，荷載不能進一步增加，力傳感器顯示的荷載值明顯下降，且撓度增長較快，破壞突然，為脆性破壞，此時停止試驗并卸載.測得的荷載與撓度值見表2，破壞形態(tài)見圖5.在試驗過程中發(fā)現(xiàn)加固木梁受彎破壞時，剝開的加固層CFRP布上粘有一些木屑，可見CFRP布與木梁中間的粘結(jié)效果良好，且說明破壞發(fā)生在毗鄰木材于膠粘層界面的木材中.各試件的試驗結(jié)果見表2.

3.2 承載力分析

根據(jù)試驗的主要結(jié)果，由表2可得：

1) 試件L1～L5的燕尾榫樣式不同，未加固前承載力較低，僅為完整木梁的1.00%～2.62%，經(jīng)加固后為完整木梁的50%～83.33%，可見CFRP布對榫卯接長木梁的加固效果顯著.

2) 比較試件CL1與CL2，二者榫頭尺寸相同，區(qū)別于所放置的方向不同，前者是采用傳統(tǒng)的燕尾榫進行榫卯接長，后者是將傳統(tǒng)燕尾榫旋轉(zhuǎn)90°后進行榫卯接長，其抗彎承載力分別可達完整木梁的50%和71.43%，可見采用傳統(tǒng)燕尾榫旋轉(zhuǎn)90°后進行榫卯接長效果更佳.

3) 比較試件CL2與CL3，榫頭長度相同，區(qū)別于榫頭是否帶榫肩，其抗彎承載力分別可達完整木梁L0的71.43%和76.19%.可見帶榫肩的榫卯接長木梁加固后的承載力提高.分析其原因，是由于榫頭帶榫肩后，榫頭不易被拔出.

4) 比較試件CL2與CL4，榫頭長度相同，區(qū)別于榫頭的斜率不同，分別為0.1和0.3，其抗彎承載力分別可達完整木梁的71.43%和83.33%，可見隨著榫頭斜率的增大，榫卯接長木梁加固后的承載力有所提高.分析其原因，是由于榫頭的斜率變大后，榫頭不易被壓縮變形至與卯口張口同寬而拔出，使得榫卯連接更緊.因此，在制作接長木梁時，建議采用榫頭斜率變大3倍的燕尾榫進行連接.

5) 比較試件CL2與CL5，二者榫頭斜率相同，榫頭長度不同，分別為65和110 mm，其抗彎承載力分別可達完整木梁的71.43%和57.14%，可見榫頭長度增大后反而會降低榫卯接長木梁加固后的抗彎承載力.

3.3 跨中撓度、能量吸收能力和剛度

L0、CL1～CL5的荷載-跨中撓度曲線見圖6(a).從圖6(a)中可以看出，只有試件L0出現(xiàn)了平緩的塑性階段，其余試件均處于彈性階段，可見榫卯接長木梁經(jīng)加固后發(fā)生脆性破壞.L1～L5的荷載—跨中撓度曲線見圖6(b).從圖6(b)可以看出，試件L1～L5在很小的荷載下，撓度增長迅速，最后均發(fā)生拔榫破壞，跨中撓度很大.試件L4、L5撓度增長速度最快，加載后期荷載-跨中撓度曲線有很長的水平段，這是由于在沒有采用CFRP加固情況下，L4由于榫頭斜率較大，L5由于榫頭長度變長，榫頭根部斷裂，從而使承載力不再增長.

各試件的荷載-跨中撓度曲線特征值見表3.其中:荷載-撓度曲線與橫軸所包圍的面積代表試件能量吸收能力; 面積比指各試件與橫軸所包圍的面積與完整木梁L0的比值，采用面積比這個指標來反映木梁能量吸收能力.L1～CL5這10個試件中，CL1>L1，CL2>L2，CL3>L3，CL4>L4，CL5>L5，榫卯接長木梁經(jīng)加固后其能量吸收能力得到大幅度提高.同時，CL4、CL3、CL2、CL5、CL1的能量吸收能力分別達完整木梁L0的61.33%、47.83%、43.01%、32.03%和25.37%，可見采用榫頭斜率變大3倍的燕尾榫進行接長的木梁，經(jīng)加固后其能量吸收能力最高.

試件CL1與CL2的能量吸收能力分別達完整木梁L0的25.37%和43.01%.采用傳統(tǒng)燕尾榫旋轉(zhuǎn)90°后進行榫卯接長，木梁的能量吸收能力也得到提高.試件CL2與CL3的能量吸收能力分別達完整木梁L0的43.01%和47.83%，榫頭帶榫肩可提高木梁的能量吸收能力.試件CL2與CL4的能量吸收能力分別達完整木梁L0的43.01%和61.33%，木梁的能量吸收能力隨著榫頭斜率增大而增大.試件CL2與CL5能量吸收能力分別達完整木梁L0的43.01%和32.03%，榫頭長度增大后，木梁的能量吸收能力降低.

對于表3中的荷載-撓度曲線的原點切線斜率K，可以看出:L0>CL2>CL3>CL4>CL1>CL5.斜率比指加固后的試件的斜率與完整木梁L0的比值，可反映木梁的剛度.試件CL1～CL5的剛度分別達完整木梁L0的78.57%、95.24%、89.68%、79.37%和76.98%.試件CL5的斜率最小，反映的剛度最小，主要是由于其燕尾榫榫頭長度較長，則相應(yīng)卯口的凹口范圍較大，使得構(gòu)件被削弱的范圍變大，導(dǎo)致其剛度最小.

圖6 荷載—跨中撓度曲線Fig.6 Deflection-load curve

表3 曲線特征值Tab.3 Characteristic values of curves

4 結(jié)語

1) 未加固前木梁承載力較低，僅為完整木梁的0.38%～2.62%，經(jīng)CFRP布加固后的木梁，其抗彎承載力可提高至完整木梁的50%～83.33%，CFRP布對榫卯接長木梁的加固效果顯著.

2) 采用傳統(tǒng)的燕尾榫進行榫卯接長和傳統(tǒng)燕尾榫旋轉(zhuǎn)90°后進行榫卯接長的木梁，經(jīng)加固后，其抗彎承載力分別達完整木梁的50%和71.43%，其能量吸收能力分別達完整木梁的25.37%和43.01%，其剛度分別達完整木梁的78.57%和95.24%.采用傳統(tǒng)燕尾榫旋轉(zhuǎn)90°后進行榫卯接長，加固效果更佳.

3) 采用不帶榫肩和帶榫肩的燕尾榫進行榫卯接長，并采用CFRP布對榫卯接長木梁進行加固后，木梁抗彎承載力分別可達完整木梁的71.43%、76.19%，其能量吸收能力分別達完整木梁的43.01%和47.83%，其剛度分別達完整木梁的95.24%和89.68 %.采用帶榫肩的燕尾榫進行榫卯接長，加固效果更佳.

4) 當榫頭的斜率分別為0.1和0.3時，并采用CFRP布對榫卯接長木梁進行加固后，木梁抗彎承載力分別可達完整木梁的71.43%和83.33%；其能量吸收能力分別達完整木梁的43.01%和61.33%，其剛度分別達完整木梁的95.24%和79.37 %.可見, 采用燕尾榫榫頭斜率較大的榫卯進行接長，加固效果更佳.

5) 當榫頭長度分別為65和110 mm，并采用CFRP布對榫卯接長木梁進行加固后，木梁抗彎承載力分別可達完整木梁的71.43%和57.14%；能量吸收能力分別達完整木梁的43.01%和32.03%；其剛度分別達完整木梁的95.24%和76.98%.說明采用燕尾榫榫頭長度較大的榫卯進行接長，加固效果反而變差.

綜上，在古建筑維修和加固中，建議采用傳統(tǒng)燕尾榫旋轉(zhuǎn)90°、帶榫肩的燕尾榫或斜率為0.3的榫頭、榫頭長度為常規(guī)榫頭長度，并采用CFRP布對榫卯接長木梁在榫卯接長處進行加固的方案.

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(責任編輯：沈蕓)

Experimental study for the effect of dovetail style on the flexural behavior of timber beams extended by a mortise - tenon joint and strengthened by CFRP sheets

LIN Huayi1, JI Tao1, DAI Tingwei1, LIN Xujuan1, ZHANG Ying2

(1.College of Civil Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350116，China；2.College of Architecture，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350116，China)

By a static bending test of eleven timber beams, the effect of dovetail styles on the flexural behavior of timber beams extended by a mortise-tenon joint and strengthened by CFRP sheets was studied.The results show that the flexural loading capacity of the timber beams extended by a mortise-tenon joint and not strengthened by CFRP sheets is relatively low, only 1.00% to 2.62% of the integrated wooden beams.The flexural loading capacity of the timber beams extended by a mortise-tenon joint and strengthened by CFRP sheets reaches 50% to 83.33% of the integrated wooden beams.Compared with traditional dovetail mortise, the flexural loading capacity and energy absorption ability increase for the timber beams extended by dovetail mortise or the dovetail mortise with tenon shoulder after rotating 90 degree.With the dovetail tenon slope varying from 0.1 to 0.3, the flexural loading capacity and energy absorption capability of wooden beams increase.Their flexural loading capacities are 71.43% to 83.33% of the integrated wooden beam and their energy absorption capacities are 43.01% to 61.33% of the integrated wooden beam.When the length of dovetail tenons exceeds that of the traditional dovetail tenons, the bending loading capacity, the energy absorption ability and the stiffness of the timber beams reduce.

timber beam；carbon fiber reinforced polymer；mortise-tenon joint；flexural loading capacity；energy absorption ability

2014-11-17

季韜(1972-)，博士，教授，主要從事結(jié)構(gòu)工程研究，jt72@163.com

國家科技支撐計劃資助項目(2012BAJ14B05)

10.7631/issn.1000-2243.2016.04.0524

1000-2243(2016)04-0524-07

TU366.2

A