林华艺，季 韬，代庭苇，林旭健，张 鹰

(1.福州大学土木工程学院，福建 福州 350116；2.福州大学建筑学院，福建 福州 350116)

燕尾榫样式对CFRP加固榫卯接长木梁抗弯性能影响试验

林华艺1，季 韬1，代庭苇1，林旭健1，张 鹰2

(1.福州大学土木工程学院，福建 福州 350116；2.福州大学建筑学院，福建 福州 350116)

通过11根木梁的静力受弯试验，研究燕尾榫样式对榫卯接长木梁加固后的抗弯性能的影响.试验结果表明，未加固前榫卯接长木梁承载力较低，仅为完整木梁的1.00%～2.62%，经CFRP布加固后其抗弯承载力可提高至完整木梁的50%～83.33%；旋转90°后，传统燕尾榫进行榫卯接长和采用榫头带榫肩接长，其抗弯承载力和能量吸收能力提高.燕尾榫榫头斜率从0.1变化至0.3，木梁的抗弯承载力和能量吸收能力随之提高，其抗弯承载力分别可达完整木梁的71.43%～83.33%，能量吸收能力分别达完整木梁的43.01%～61.33%.当燕尾榫榫头长度超过传统燕尾榫榫头长度时，其抗弯承载力、能量吸收能力和刚度反而降低.

木梁；碳纤维布；榫卯节点；抗弯承载力；能量吸收能力

0 引言

木结构建筑中，传统古建筑木结构由于制造工艺极其复杂、历史悠久且不可复制，具有极高的历史、科学和艺术价值.目前，我国大量古建筑木结构房屋存在局部构件破损问题，主要有以下几种破坏形态[1-3]：

① 梁架歪闪及梁、枋构件的弯曲折断；② 柱子下沉、歪闪等；③ 斗栱扭曲变形；④ 屋面漏雨；⑤ 檩子糟朽、折断、拔榫等.其中：梁、枋等受弯构件由于年久漏朽、虫蛀或荷载加大等原因[4]，构件承载力退减，容易出现梁柱榫卯节点脱卯现象以及梁端腐朽问题.针对木梁及梁柱节点处维修加固的方法有贴补法、嵌补法、剔补法、下撑式拉杆加固法、扁钢加固法、夹接法、托接法和更换新构件法等[5-8].上述方式在维修加固过程中都需要额外增加铁器、钢板，从而改变了木质本身所具有的特殊纹理样貌，而且钢铁的加入会导致锈蚀和增重等新问题.对此，在研究总结木结构领域的修补加固技术及借鉴混凝土加固技术的基础上，采用纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer, FRP)对木结构进行加固.FRP是一种轻质高强、耐腐蚀、耐久性好、易于剪裁、施工性能好的新型材料[8]，在木构件表面粘贴时不会增加重量，并可利用彩绘等装饰手法进行覆盖，不影响外观，从而更大程度上保留古建筑的原有样貌，保护了文物本身的历史、文化、艺术和科学价值.

早在20世纪60年代，Wangaard[9]就研究了玻璃纤维增强复合材料(GFRP)对木梁弹性挠曲性能的影响，得出了GFRP加固后的木梁具有较好的抗弯性能，能在一定程度上提高木梁的抗弯承载力.近年来，国内外学者相继对不同的FRP粘贴方式、层数、类型等对加固后木梁抗弯承载力、延性及刚度的影响展开相关研究[10-14]，其中：张风亮[15]分别用碳纤维布和扁钢加固木结构，对比了两种加固方式下木结构抗震能力，提出碳纤维布和扁钢加固残损榫卯节点的抗弯承载力计算方法及加固设计建议.姬卓[16]研究表明, 碳纤维布能提高木梁的极限承载力、延性和刚度.马建勋等[17]研究了碳纤维布粘贴数量对木梁抗弯性能的影响，得出随着配布率的增加，木梁极限承载力呈现非线性增大，且U形箍等锚固、构造措施至关重要，能保证碳纤维布与木梁协同工作，加固效果明显.Triantafi1lou[18]提出FRP与材料之间的剪切过渡区，同样得出经过FRP材料加固后的木梁，其抗剪性能得到大幅提高.

尽管国内外学者对FPR加固木梁已有一定研究，但是鉴于传统古建筑木结构中常见的木梁两边端部腐烂糟朽的现象，本课题组提出一种新的维修方法：将木梁两端已腐烂糟朽的部分锯掉，用两段未腐朽的木材与原中间段完好的木梁通过榫卯方式拼接，组成与原来总长相等的梁，同时, 在连接的节点包裹碳纤维(CFRP)布增强加固，这种方法可以保护未腐烂的中间段木梁[8].目前尚未有学者提出过榫卯接长木梁这一概念，并从事相关研究.开展FRP加固榫卯接长圆形截面木梁的研究，对保护古建筑具有十分重要的意义，本研究着重探讨不同燕尾榫样式对CFRP加固后榫卯接长木梁抗弯性能的影响.

1 试验

1.1 试件的设计与制作

本试验榫卯样式及做法参照传统工艺技术[19-20]，具体样式见图1及文[8]中图1.

图1 燕尾榫3号(单位：mm)Fig.1 Third tenon style (unit:mm)

选取规格相同的11根圆形截面木梁，截面直径d=130 mm，木梁总长度L=2 000 mm，净跨L0=1 800 mm.各试验梁变化参数、榫头长度、斜率及加固方案见表1.其中:L0为完整木梁(作为对比梁)，L1～L5为榫卯接长木梁(未采用CFRP布加固)，CL1～CL5为榫卯接长木梁(在榫卯接长处采用CFRP布加固).采用统一的加固方案，即本课题组已发表论文中的加固方案二[8]，具体见文[8]图2.L3～L5是以L2为基础、CL3～CL5是以CL2为基础(即L3～L5、CL3～CL5的燕尾榫旋转90°)进行参数变化得到，详见表1.

表1 试验梁参数Tab.1 Test beam parameters

注：K′表示斜率

1.2 木材的材料性能

试验木梁按《木材物理力学性能试验方法》(GB1927～1943-09)[21]执行，统一测得木材的主要力学性能指标见文[8]表2.

1.3 加固材料指标

CFRP布由福州骆驼商贸有限公司提供，粘结剂由杭州固安科技有限公司提供.经测试，CFRP布性能指标和粘结剂性能指标分别见文[8]表3和表4.

2 试验方案

2.1 加载方案

试验在福州大学土木工程学院二号试验室进行，对试验木梁实行两点集中加载，采用液压千斤顶手动缓慢加载，即将千斤顶放于荷载分配梁上，再由钢垫板将荷载传递到试验木梁.根据《木结构试验标准》(GB/T 50329-2012)[22]，为了保证测得承载力的准确性，在试验加载过程中实行逐级加荷方式，先进行预加载(即先加载至2 kN，而后卸载)，在保证每个仪器能正常工作后，再从0开始每级加载3 kN，每加载一级，保持荷载稳定2.5 min，待开始有轻微响声后，每级加载量改为1～2 kN，加载至破坏.

2.2 量测方案

试验测量内容包括梁跨中位移、支座沉降、加载点位移，同时观察和记录木梁的破坏情况.各试验梁沿梁长共设置5个位移计，数据通过DH3816静态数据采集仪进行采集.试件加载装置及测点布置详见文[8]图3.

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

试件L0，右端截面存在一定的初始裂缝.当荷载P=24 kN时，有开裂响声发出；当P=30 kN时，右侧端面裂缝由原本的非贯通转至贯通状态，贯通后在木梁截面高度1/2处，沿梁纵向出现顺纹剪切错动裂缝，木梁受拉区与受压区开始错开，随着荷载增大，错开位移增大；当P=42 kN时，木梁右侧发出较大响声，木梁右侧受拉区与受压之间错开明显，在加载点处由于受拉区存在木节，发生受拉破坏.当进一步加载时，力传感器显示的荷载值明显下降，为保护试验仪器，试验停止，破坏形态见图2.卸载后，试件的变形有部分回弹，但仍保留部分残余变形.试件L0发生顺纹剪切破坏，在梁高1/2处，沿梁纵向出现水平方向的相互错动现象，由于错动后减小了木材之间的连接面积，木材顺纹抗剪能力降低，从而发生破坏；当纯弯段存在较多木节时，会在木节处发生弯曲破坏.

图2 试件L0破坏形态Fig.2 Failure modes of specimen L0

试件L1，未经加固榫卯接长木梁承载力很小，故采用吊篮逐级添加砝码的形式进行加载.由于右端榫卯接长处在初始加工时连接不够紧实，因此，当荷载P=0.16 kN时，右端榫卯处开始拔榫；P=0.47 kN，左端榫卯处也开始拔榫；当P=1.02 kN时，左边拔榫严重(图3)，停止加载.

试件L2～L5试验结果类似，在荷载较小的情况下出现拔榫现象，随着荷载缓慢增加，榫卯处挠度迅速增大，而后全部拔出，荷载与挠度值见表2，破坏形态见图4.

图3 试件L1卯口胀裂破坏Fig.3 Failure modes of specimen L1

图 4 试件L2～L5卯口劈裂破坏 Fig.4 Failure modes of specimen L2～L5

表2 试验结果Tab.2 Test results

注：P1指开始拔榫或FRP布剥离时的荷载

图5 试件CL1～CL5破坏形态Fig.5 Failure modes of specimen CL1～CL5

试件CL1～CL5在加载过程中有木材开裂响声发出，随着荷载增大，响声逐渐变大，当荷载达到剥离荷载时，会有突然的巨响，此时，榫卯接长处粘贴的CFRP布开始剥离，接长处挠度迅速增长，荷载不能进一步增加，力传感器显示的荷载值明显下降，且挠度增长较快，破坏突然，为脆性破坏，此时停止试验并卸载.测得的荷载与挠度值见表2，破坏形态见图5.在试验过程中发现加固木梁受弯破坏时，剥开的加固层CFRP布上粘有一些木屑，可见CFRP布与木梁中间的粘结效果良好，且说明破坏发生在毗邻木材于胶粘层界面的木材中.各试件的试验结果见表2.

3.2 承载力分析

根据试验的主要结果，由表2可得：

1) 试件L1～L5的燕尾榫样式不同，未加固前承载力较低，仅为完整木梁的1.00%～2.62%，经加固后为完整木梁的50%～83.33%，可见CFRP布对榫卯接长木梁的加固效果显著.

2) 比较试件CL1与CL2，二者榫头尺寸相同，区别于所放置的方向不同，前者是采用传统的燕尾榫进行榫卯接长，后者是将传统燕尾榫旋转90°后进行榫卯接长，其抗弯承载力分别可达完整木梁的50%和71.43%，可见采用传统燕尾榫旋转90°后进行榫卯接长效果更佳.

3) 比较试件CL2与CL3，榫头长度相同，区别于榫头是否带榫肩，其抗弯承载力分别可达完整木梁L0的71.43%和76.19%.可见带榫肩的榫卯接长木梁加固后的承载力提高.分析其原因，是由于榫头带榫肩后，榫头不易被拔出.

4) 比较试件CL2与CL4，榫头长度相同，区别于榫头的斜率不同，分别为0.1和0.3，其抗弯承载力分别可达完整木梁的71.43%和83.33%，可见随着榫头斜率的增大，榫卯接长木梁加固后的承载力有所提高.分析其原因，是由于榫头的斜率变大后，榫头不易被压缩变形至与卯口张口同宽而拔出，使得榫卯连接更紧.因此，在制作接长木梁时，建议采用榫头斜率变大3倍的燕尾榫进行连接.

5) 比较试件CL2与CL5，二者榫头斜率相同，榫头长度不同，分别为65和110 mm，其抗弯承载力分别可达完整木梁的71.43%和57.14%，可见榫头长度增大后反而会降低榫卯接长木梁加固后的抗弯承载力.

3.3 跨中挠度、能量吸收能力和刚度

L0、CL1～CL5的荷载-跨中挠度曲线见图6(a).从图6(a)中可以看出，只有试件L0出现了平缓的塑性阶段，其余试件均处于弹性阶段，可见榫卯接长木梁经加固后发生脆性破坏.L1～L5的荷载—跨中挠度曲线见图6(b).从图6(b)可以看出，试件L1～L5在很小的荷载下，挠度增长迅速，最后均发生拔榫破坏，跨中挠度很大.试件L4、L5挠度增长速度最快，加载后期荷载-跨中挠度曲线有很长的水平段，这是由于在没有采用CFRP加固情况下，L4由于榫头斜率较大，L5由于榫头长度变长，榫头根部断裂，从而使承载力不再增长.

各试件的荷载-跨中挠度曲线特征值见表3.其中:荷载-挠度曲线与横轴所包围的面积代表试件能量吸收能力; 面积比指各试件与横轴所包围的面积与完整木梁L0的比值，采用面积比这个指标来反映木梁能量吸收能力.L1～CL5这10个试件中，CL1>L1，CL2>L2，CL3>L3，CL4>L4，CL5>L5，榫卯接长木梁经加固后其能量吸收能力得到大幅度提高.同时，CL4、CL3、CL2、CL5、CL1的能量吸收能力分别达完整木梁L0的61.33%、47.83%、43.01%、32.03%和25.37%，可见采用榫头斜率变大3倍的燕尾榫进行接长的木梁，经加固后其能量吸收能力最高.

试件CL1与CL2的能量吸收能力分别达完整木梁L0的25.37%和43.01%.采用传统燕尾榫旋转90°后进行榫卯接长，木梁的能量吸收能力也得到提高.试件CL2与CL3的能量吸收能力分别达完整木梁L0的43.01%和47.83%，榫头带榫肩可提高木梁的能量吸收能力.试件CL2与CL4的能量吸收能力分别达完整木梁L0的43.01%和61.33%，木梁的能量吸收能力随着榫头斜率增大而增大.试件CL2与CL5能量吸收能力分别达完整木梁L0的43.01%和32.03%，榫头长度增大后，木梁的能量吸收能力降低.

对于表3中的荷载-挠度曲线的原点切线斜率K，可以看出:L0>CL2>CL3>CL4>CL1>CL5.斜率比指加固后的试件的斜率与完整木梁L0的比值，可反映木梁的刚度.试件CL1～CL5的刚度分别达完整木梁L0的78.57%、95.24%、89.68%、79.37%和76.98%.试件CL5的斜率最小，反映的刚度最小，主要是由于其燕尾榫榫头长度较长，则相应卯口的凹口范围较大，使得构件被削弱的范围变大，导致其刚度最小.

图6 荷载—跨中挠度曲线Fig.6 Deflection-load curve

表3 曲线特征值Tab.3 Characteristic values of curves

4 结语

1) 未加固前木梁承载力较低，仅为完整木梁的0.38%～2.62%，经CFRP布加固后的木梁，其抗弯承载力可提高至完整木梁的50%～83.33%，CFRP布对榫卯接长木梁的加固效果显著.

2) 采用传统的燕尾榫进行榫卯接长和传统燕尾榫旋转90°后进行榫卯接长的木梁，经加固后，其抗弯承载力分别达完整木梁的50%和71.43%，其能量吸收能力分别达完整木梁的25.37%和43.01%，其刚度分别达完整木梁的78.57%和95.24%.采用传统燕尾榫旋转90°后进行榫卯接长，加固效果更佳.

3) 采用不带榫肩和带榫肩的燕尾榫进行榫卯接长，并采用CFRP布对榫卯接长木梁进行加固后，木梁抗弯承载力分别可达完整木梁的71.43%、76.19%，其能量吸收能力分别达完整木梁的43.01%和47.83%，其刚度分别达完整木梁的95.24%和89.68 %.采用带榫肩的燕尾榫进行榫卯接长，加固效果更佳.

4) 当榫头的斜率分别为0.1和0.3时，并采用CFRP布对榫卯接长木梁进行加固后，木梁抗弯承载力分别可达完整木梁的71.43%和83.33%；其能量吸收能力分别达完整木梁的43.01%和61.33%，其刚度分别达完整木梁的95.24%和79.37 %.可见, 采用燕尾榫榫头斜率较大的榫卯进行接长，加固效果更佳.

5) 当榫头长度分别为65和110 mm，并采用CFRP布对榫卯接长木梁进行加固后，木梁抗弯承载力分别可达完整木梁的71.43%和57.14%；能量吸收能力分别达完整木梁的43.01%和32.03%；其刚度分别达完整木梁的95.24%和76.98%.说明采用燕尾榫榫头长度较大的榫卯进行接长，加固效果反而变差.

综上，在古建筑维修和加固中，建议采用传统燕尾榫旋转90°、带榫肩的燕尾榫或斜率为0.3的榫头、榫头长度为常规榫头长度，并采用CFRP布对榫卯接长木梁在榫卯接长处进行加固的方案.

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(责任编辑：沈芸)

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，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 350116，China；2.College of Architecture，Fuzhou University，Fuzhou，Fujian 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

季韬(1972-)，博士，教授，主要从事结构工程研究，jt72@163.com

国家科技支撑计划资助项目(2012BAJ14B05)

10.7631/issn.1000-2243.2016.04.0524

1000-2243(2016)04-0524-07

TU366.2

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