碳纤维加固木结构梁的实验研究与理论分析开题报告

1. 研究目的与意义

木材作为建筑材料具有重量轻、强度高、美观、加工性能好等特点，因此自古以来就受到人们偏爱。从挪威的大型木结构教堂和中国、日本的古代庙宇，到无数北美19世纪的建筑物，都证明木结构具有良好的耐久性。现代木结构住宅建筑在世界上许多国家已很普遍。在北美，木结构住宅处于市场主导地位，1997年美国新建独户别墅约113．8万幢，其中90%都采用木结构，在33．8万幢多层住宅中，大多数也采用木结构。木结构还被广泛用于建造厂房、学校、旅馆、体育馆等。在加拿大，木材工业是国家支柱产业之一，其木结构住宅的工业化、标准化和配套安装技术非常成熟。在亚洲的日本，大量的住宅是利用木材、胶合木和水泥刨花板建造的，即使在人口稠密的东京地区也是如此。目前日本新建住宅房屋中，有半数以上是木结构。在北欧的芬兰和瑞典，民居住房的90%为一层或二层的木结构建筑。

木结构是中国传统建筑的主要结构形式，历经了数千年的发展，至今在我国仍有大量木结构的民居、桥梁、寺庙、楼塔、馆阁、衙署和牌坊等建筑留存，绝对数量相当庞大，其蕴涵了丰富的历史文化信息，是祖先留给我们的宝贵财富。但是木构建筑除了因为使用历史悠久而产生的整体性能的下降需要整体加固以外，局部构件损伤和腐蚀的加固问题也是危害结构安全的重要课题。由于木材自身的材性缺点（徐变大、强度低、弹性模量低、易老化、木纤维方向性敏感）和环境因素（台风和地震破坏、雨水侵蚀、废气蚀损、微生物破坏等），以及建筑物使用荷载和功能的改变，导致木结构需要进行改造和增强。常见的修复和加固木结构的方法有直接用新材料或者用混凝土或钢材替换已腐朽的木构件、设斜撑嵌缝加箍等，这些传统方法往往会破坏木结构原貌或带来锈蚀等问题，不能广泛应用于木结构的加固中。而碳纤维布具有高强度、低密度、耐腐蚀、弱磁感应、几何可塑性大、易裁剪等优点，使得其较适用于非规则断面的传统木构件表面粘贴，加固后木结构经粉刷几乎不影响外观，没有增加附加重量，而且提高了结构的防火性能；同时CFRP布的应用可减少木材的耗费，有利于保护环境和可持续发展。所有这些有利因素使得CFRP在木结构加固中具有较大的发展潜力。

2. 国内外研究现状分析

20世纪90年代，随着纤维材料的大幅降价，国内外一些学者开始深入研究纤维材料增强木梁的力学性能。1992年，plevris和triantafillou进行了碳纤维加固冷杉木梁的试验，并结合buchanan的本构关系模型进行了理论分析。同年，triantafillou，deskovic完成了预应力碳纤维布加固木梁的试验，试验结果表明加固木梁的受弯承载力、刚度和延性均有明显的提高。其中承载力提高了20%~40%。1994年，abdel-magid进行了9根铁山木梁受拉区加固试验，其中3根加筋，3根粘贴碳纤维布，3根粘贴芳纶纤维，结果表明粘贴碳纤维布的木梁强度提高了32%，大大高于芳纶纤维加固的木梁。1997年，triantafillou进行了21根受剪加固木梁的试验，深入研究了碳纤维加固木梁的抗剪性能，分析了影响强度提高的纤维材料的用量、类型等参数。2000年，johns,lacroix进行了一系列的碳纤维和玻璃纤维加固木梁的试验，发现了其强度比未加固的木梁提高了40%~70%，证明这种加固可以有效地改善木梁的受力性能。

在国内。2003年张大照首次进行了cfrp布粘贴于受拉表面加固圆形木梁的试验，指出一般单层cfrp布加固木梁的强度提高40%~50%，并能有效地改善木梁的变形性能。

周钟宏进行了cfrp布加固矩形木梁的试验，结果表面梁的高宽比越小，其加固后的极限承载力和刚度的提高幅度越大。对高宽比为2的试件，粘贴一层和二层cfrp布后承载力分别提高36%~42%和55%~57%，刚度也有大幅度的提高。而高宽比为3的试件粘贴两层cfrp布后承载力仅提高了17%~25%,刚度也没有明显的变化。

3. 研究的基本内容与计划

目前的CFRP材料加固木结构研究，主要是针对单一的粘贴方式和固定的加固层数，试验以得到加固对于木材强度、刚度及延性的提高情况。事实上,对于CFRP材料的实际应用中，针对不同的加固要求及经济效益比较，选择适当的加固粘贴方式和用量是比较重要的。基于这点，本文通过以下实验研究不同加固方式和用量的碳纤维布研究其对木梁强度、刚度等性能的提高情况。

本次试验制作21根木梁，分为三组。木梁均为矩形截面，bh=80mm150mm，设计长度l=2000mm，跨度l0=1800mm。

L组：考虑到木材本身材质的离散性较大，为得出比较准确的结果，本试验有8根未加固木梁L2-L9作为对比梁，其他木梁可以通过与该组木梁对比估计出各种加固方案的效果。

C组：梁1C-01和梁1C-02底粘贴一层宽80mm、长1000mm的碳纤维布；梁2C-01、梁2C-02和梁2C-03底粘贴两层宽80mm的碳纤维布，第一层长1000mm，第二层长1200mm；梁3C-01和梁3C-02底部粘贴三层宽80mm的碳纤维布，第一层长1000mm，第二层长1200mm，第三层长1400mm，该组木梁通过改变CFRP层数及长度来改变CFRP的用量，以此研究不同CFRP用量对木梁各性能的提高情况。

CH组：为了使梁底的CFRP与木梁底部更好地粘结、锚固，从而更好地发挥CFRP的作用，在第二组梁的基础上增加环箍。1C-4H-01和梁1C-4H-02底粘贴一层宽80mm、长1000mm的碳纤维布，并布置4条环箍碳纤维布；梁2C-4H-01和梁2C-4H-02底粘贴两层宽80mm的碳纤维布，第一层长1000mm，第二层长1200mm，并布置6条环箍碳纤维布；梁3C-4H-01和梁3C-4H-02底部粘贴三层宽80mm的碳纤维布，第一层长1000mm，第二层长1200mm，并布置6条环箍碳纤维布。该组通过与第二组的比较，研究有无环箍对木梁各性能到底有多少影响。

4. 研究创新点