纤维增强复合材料的加固木梁的研究

摘 要：近年来，专家学者研究和应用碳纤维复合材料的加固技术呈现快速增长的态势。由国内外的实验研究、工程实践的经验，纤维增强复合材料加固古木结构的关键在于碳纤维布的用量、种类以及与木材间的粘结性能。本纤维增强复合材料的加固木梁包括梁体，其特征在于，所述的梁体上沿其轴向方向上设有碳纤维布，所述的碳纤维布厚度为0.05～0.15cm。显然，无形中延长了梁体的使用寿命。

关键词：纤维增强复合材料；加固木梁；研究

一、背景和意义

中国传统木结构建筑是中国古代流传下来的建筑，它继承了中国文化几千年的主流，继承了中国民族的优良传统，具有历史、艺术和科学价值。但是由于环境侵蚀、时间久远等多方面影响，许多的木结构古建筑损坏得较严重，都亟待修复，而且还要保持原来的风貌。随着政府对文物历史维护的重视，古建筑的加固技术也得到了进一步的研究和加强。

近年来，专家学者研究和应用碳纤维复合材料的加固技术呈现快速增长的态势。由国内外的实验研究、工程实践的经验，纤维增强复合材料加固古木结构的关键在于碳纤维布的用量、种类以及与木材间的粘结性能。

随着科学技术的发展，以及新的材料广泛应用，FRP（纤维增强复合材料）的特性：强度高，便于施工，耐蚀性，防火性，几何可塑性，易于剪裁。用于粘贴在木结构的表面，加强木结构的强度，对于古建筑加固有着相当重要的意义。

二、国内外研究现状

上世纪90年代，科学家开始研究碳纤维布来加固木梁。Plevris和Triantafillou[1]把冷杉木梁用碳纤维加固的试验，并分析了buchanan的本构关系模型。Johns和Lacroix[2]用各种类型的碳纤维和玻璃纤维来进行加固木梁的试验，发现加固后的木梁的强度比未加固前提高40%-70%，说明用纤维材料加固可以有作用地改善木梁的受力性能。在国内，许清风等把碳纤维布贴在旧木梁的各个侧面，进行抗剪试验，因为古建筑建成已近80年，木梁损坏严重，由于边缘木木节发生弯曲破坏，使试验结果有较大离散，但木梁本身承载力和刚度有显著提高。

三、研究内容

研究内容是提供一种成本低，能延长梁体使用寿命，同时满足古建筑“修旧如旧，不改变古建筑原貌”的原则的纤维增强复合材料的加固木梁。

如图1所示，本纤维增强复合材料的加固木梁包括梁体1，为了能延长梁体的使用寿命，在梁体1上沿其轴向方向上设有碳纤维布2，本实施例的碳纤维布2层数为1～2层，其次，本实施例的碳纤维布2厚度为0.10cm。本实施例从根本上解决了梁体的承载力、刚度和耐久性较差等问题，满足对古建筑“修旧如旧，不改变古建筑原貌”的原则，易于推广应用。而且还延长了梁体的使用寿命。具体地说，本实施例的碳纤维布2通长包裹在所述的梁体1上。其次，碳纤维布2通过粘性材料固定在梁体1上。优化方案，这里的粘性材料为浸润树脂。

1：梁体 2：碳纤维布

如图2所示，本图同图1的结构及原理基本相同，不一样的地方在于：所述的碳纤维布2固定在所述梁体1的底面上。

1：梁体 2：碳纤维布

施工流程及应注意的事项：

a.表面处理：由于使用的碳纤维片材，以改善设计元素应该确定，以便在衬底的状态的目的，以确保其对从织物结构体的表面传递载荷的能力。b.在底层滚涂上TH-505碳纤维底胶，并注意要把胶均匀，厚度一致，再弹墨线。c.然后再将TH-505碳纤维浸润胶用滚涂法，均匀地涂在木材梁粘结面上，所使用的纤维浸润胶的用量须充足而且要饱满。d.把成卷的碳纤维布按照所设计的尺寸，进行仔细地裁剪，粘贴在木材梁涂胶面，所粘贴的碳纤维布要平整、光滑，并无褶皱处。e.使用硬橡胶棍、塑料刮板对木材梁与碳纤维布粘接处进行反复碾压，使粘接处的碳纤维布平整、光滑、无小气泡，并且粘合剂充分渗透到木材处。f.最后在木材面的碳纤维布上滚涂浸润树脂，使浸润树脂充分覆盖在碳纤维布的表面，确保树脂充分浸渍在碳纤维布的纤维之中。

针对嘉兴古建筑的实际情况，通过对碳纤维布加固木梁的抗弯性能试验研究，在此基础上进行加固木梁抗弯性能理论和过程分析，通过采用碳纤维布加固木梁的试验方法，对碳纤维布加固木梁的抗弯性能，同时对碳纤维布加固木梁界面应力分析和计算等方面进行公益性技术研究。该试验工作从2013年10月份开始，经过试验人员与项目技术人员相互学习促进，由于该项目中加固方法既保护了原古建筑的风格，又能节约加固成本的目的，所以试验工作很顺利。