CN104453267A - 碳纤维布加固榫卯形式接长木梁的结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维布（CFRP布）加固榫卯形式接长木梁的结构及其制作方法，其特征在于：包括榫卯连接的木梁，所述木梁的榫卯节点处外围表面依次分别粘贴有一层或一层以上碳纤维方向和木梁长度方向平行的碳纤维布及碳纤维方向和木梁长度方向垂直的碳纤维布。本发明提出的CFRP布加固榫卯接长木梁方法，能使榫卯接长木梁加固后的抗弯抗剪承载力接近于原木的承载力。这为古建筑木梁的修复和加固提供一个全新的方法。

Description

碳纤维布加固榫卯形式接长木梁的结构及其制作方法

技术领域：

本发明属于古建筑修复和加固领域，更具体的涉及碳纤维布（CFRP布）加固榫卯形式接长木梁的结构及其制作方法。

 

背景技术：

木结构建筑是中华传统建筑的主要形式，具有极高的历史、科学和艺术价值。古建筑木结构中的柱和额枋组成的构架以及其他构件之间采用榫卯连接,无需一铁一钉。榫卯连接使得各节点刚柔相济,具有一定的抗弯能力及良好的抗震性能，从而能够历经沧桑依然屹立于中华之地。木结构建筑具有很多优点：绿色环保、节能、保温隔热、建造方便、易于再生、抗震性能好、耐久性好等。然而，木结构也有其缺点：木材强度低、易受虫（如白蚁）害的侵蚀，维修、翻修、重建的频率较高。

目前，城村古建民居房屋因年久失修、维护不当等，存在大量木结构破损问题，出现梁柱榫卯节点拔榫现象，木梁端头严重损坏，危及古建筑的结构安全，影响人们的正常居住和生活，因此需要尽快对古建筑木梁进行修缮加固以保证房屋的结构安全。

已有的与碳纤维布加固古建筑相关的典型专利如：1、《一种碳纤维布加固的古建筑木结构大木构架的榫卯节点》，该实用新型专利公开了一种大木构架的榫卯节点通过在木柱和木梁上粘贴与木梁上下边缘平行的横向碳纤维布进行加固，同时在木梁两端各粘贴垂直于木梁长度方向的2～3个间距为100～200mm 宽为40～60mm的碳纤维布环箍的加固方法，从而提高榫卯节点的抗弯能力。2、《一种碳纤维布加固的木梁》，该实用新型专利通过在木梁底面粘贴12层的碳纤维布后，在木梁中部粘贴2～3个间距为100～200mm 宽为40～60mm的碳纤维布环箍，木梁两端也粘贴宽为40～60mm的碳纤维布环箍的加固方法，从而提高木梁的抗弯承载力。

本发明以“国家十二五科技支撑计划项目”课题《传统古建聚落规划改造及功能综合提升技术集成与示范》为支撑，以世界双遗产地武夷山的国家级历史文化名村“城村”为工程应用背景，为解决城村中古建筑房屋普遍存在的榫卯节点处的拔榫现象，木梁端头破坏严重需要进行替换，同时又需保留木梁中间段珍贵木料问题而提出的，本发明适用于国内外其它地区古建筑木梁端头的替换和加固。

 

发明内容：

本发明的目的在于提供一种碳纤维布加固榫卯形式接长木梁的结构及其制作方法，通过本发明碳纤维布加固榫卯形式接长木梁的结构及其制作方法，加固后的接长木梁其极限承载力得到很大的提高，接近于完整木梁的承载力。

本发明的技术方案：

本发明碳纤维布加固榫卯形式接长木梁的结构，其特征在于：包括榫卯连接的木梁，所述木梁的榫卯节点处外围表面依次分别粘贴有一层或一层以上碳纤维方向和木梁长度方向平行的碳纤维布及碳纤维方向和木梁长度方向垂直的碳纤维布。

上述碳纤维布涂覆有粘结剂。

本发明碳纤维布加固榫卯形式接长木梁的制作方法，其特征在于：

（1）施工准备，从碳纤维布整料上剪下碳纤维布布条，裁减时不能割断纵向纤维丝，同时在各试验梁所需粘贴碳纤维布处用红色铅笔标出边界线；

（2）界面处理，为了保证碳纤维布和木梁间有可靠的粘结性能，先清洁木梁上粘贴表面的尘土、油污等杂质，然后用粗砂纸打磨，以除去木材表面在打磨干燥和加工过程产生的小裂纹及木丝木屑，待至表面平整，再用工业酒精清洗表面并晾干；

（3）涂刷碳纤维粘结剂，首先，将碳纤维粘结剂的A、B两组按照一定的重量比例进行混合，充分搅拌，每次搅拌的胶当次使用以防其快速凝结，每次不超过1公斤，一般情况下5min内用完，用刮板将粘结剂涂刷于碳纤维布上，而后用滚筒沿碳纤维布布条纤维方向多次均匀滚压，应沿一个方向滚压，使得粘结剂均匀地渗入碳纤维布中，粘结剂厚度不宜过薄也不宜过厚；

（4）粘贴碳纤维布，粘贴碳纤维布布条时，预先将碳纤维布条平行绷紧，将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置缓慢粘贴，在粘贴到位后，用滚筒沿碳纤维布布条受力方向多次均匀滚压，应沿一个方向滚压，挤出气泡和多余粘结剂，使碳纤维布与木梁表面紧密粘合，同时保证粘结剂充分渗入纤维间的缝隙，使整条布最终平整地粘贴于指定部位，滚压时不得损伤碳纤维布，碳纤维布施工30分钟后，用滚筒刷均匀涂抹粘结剂，应在纤维表面的结构粘结剂开始干燥时立即进行下一层粘贴，重复上述步骤，每层的连接处应错开。最后在碳纤维布表面再均匀涂抹一层粘结剂；

（5）养护，为保证制作质量，碳纤维布复合木梁制作完成后，放置在室内养护7天，待粘结剂完全干透，碳纤维布材料与木梁有较好的整体性，再进行试验；

（6）自检、修补，以上工序全部完成后应对碳纤维布粘贴质量进行全面检查，可用手指压碳纤维布，查看是否粘接密实，若空鼓面积小于100cm²时，可采用针管注胶的方法进行补救。当空鼓面积大于100 cm²时，将空鼓处碳纤维布切除，重新接粘碳纤维布；

（7）碳纤维布为导电材料，施工碳纤维片材时应远离电气设备和电源，或采取可靠的防护措施，配套粘结剂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射，粘结剂的配制和使用场所应保持通风良好，现场施工人员应采取相应的劳动保护措施。

本发明针对古建筑梁柱节点处梁端损坏问题，同时根据传统古建筑维修保护的“尽量保持原状”基本原则，提出一种新的加固方法：将梁两端已损坏的端头锯掉，把原来保留的跨中木梁段其两端做成卯头形式，制作两段与原木梁种类相同并且带有榫头的新木材，而后将这两段新木材和原有一段旧木材通过榫卯连接形成一根与原来木梁长度相等的整体木梁，并在榫卯接长节点处粘贴CFRP布进行加固。

采用CFRP布对榫卯拼接的木梁，在接头处进行加固。按照《营造法式》中的要求进行木梁榫卯的制作和拼接。参考《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146：2003进行碳纤维布的粘贴，先粘贴数层碳纤维方向和木梁长度方向平行的碳纤维布，再粘帖数层碳纤维方向和木梁长度方向垂直的碳纤维布。通过本发明碳纤维布加固榫卯形式接长木梁的结构及其制作方法，加固后的接长木梁其极限承载力得到很大的提高，接近于完整木梁的承载力。

本发明碳纤维布（CFRP布）加固榫卯形式拼接木梁结构及方法的优点：

（1）可以保护古建筑木梁中间段的珍贵木料（如楠木等）。

（2）碳纤维强度很高，很薄，不会对古建筑木梁的外观造成很大的影响。

（3）所提出的方法施工简单，操作方便。

（4）加固后的木梁承载力达到甚至超过原木，安全可靠。

 

附图说明：

图1是本发明具体实施方式的榫卯拼接木梁；

图2是本发明具体实施方式的CFRP布粘贴方案；

图3是本发明实施例的榫卯接长木梁；

图4是本发明实施例的CFRP布粘贴方案；

图5是本发明实施例的木梁静力加载方案。

 

具体实施方式：

本发明采用CFRP布对榫卯接长的木梁，在连接处进行加固。按照《营造法式》中的要求进行木梁榫卯的制作和拼接。参考《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》CECS146：2003进行碳纤维布的粘贴，先粘贴数层碳纤维方向和木梁长度方向平行的碳纤维布1，再粘帖数层碳纤维方向和木梁长度方向垂直的碳纤维布2。通过本发明碳纤维布加固榫卯形式接长木梁的结构及其制作方法，加固后的接长木梁其极限承载力得到很大的提高，接近于完整木梁的承载力。

本发明创新于针对古建筑木梁梁端损坏问题，先将损坏的梁两端锯掉，选用两段同树种的新木材与原来的一段旧木材通过榫卯连接的形式进行接长，而后粘贴CFRP布进行加固。同时本发明采用的加固方法与其他发明的加固方案不同，先粘贴数层纤维方向和木梁长度方向平行的碳纤维布，再粘帖数层纤维方向和木梁长度方向垂直的碳纤维布。采用榫卯连接进行接长和在两个榫卯接长节点处粘贴一定长度的CFRP布环箍进行加固是本专利的创新之处。接长木梁加固后，其极限承载力有很大程度的提高，接近于未加工过完整木梁的极限承载力。此加固方法操作简单，施工简便，居民可自行进行参考专利方法进行加固修复，因此利于该加固方法的推广。

实施例

下面以CFRP布加固榫卯形式拼接木梁为具体实例来对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此。

1．试验原材料

福建杉木（圆形截面，直径为130mm，长度为2m）、CFRP布、碳纤维粘结剂（分成A胶、B胶，比例为3:1，由杭州固安科技有限公司提供），其具体指标见表1、表2、表3。

表1               木材主要性能指标

 

表2                 碳纤维布性能指标

 

表3                   CFRP布粘结剂性能指标

 

2．CFRP布加固方案

所设计的CFRP布加固方案：对长度为2m直径为130mm的圆形截面接长木梁进行加固，通过在距离两端100mm的位置开始分别先粘贴2层纤维方向平行于木梁长度方向的CFRP布，长度为530mm，宽度为700mm，再在距离梁左右端265mm的位置分别粘贴1层纤维方向垂直于木梁长度方向的CFRP布，宽度为200mm，长度为700mm。接长木梁样式图详见附图3，CFRP加固方案详见附图4。

3.CFRP粘贴工艺

（1）施工准备

根据试验方案，从CFRP整料上剪下满足试验尺寸要求的CFRP布条，裁减时不能割断纵向纤维丝，同时在各试验梁所需粘贴CFRP处用红色铅笔标出边界线。

（2）界面处理

为了保证CFRP布和木梁间有可靠的粘结性能，先清洁木梁上粘贴表面的尘土、油污等杂质，然后用粗砂纸打磨，以除去木材表面在打磨干燥和加工过程产生的小裂纹及木丝木屑，待至表面平整，再用工业酒精清洗表面并晾干。

（3）涂刷碳纤维粘结剂

首先，将碳纤维粘结剂的A、B组分按照10：4的重量比例进行混合，充分搅拌，每次搅拌的胶当次使用以防其快速凝结，每次不超过1公斤，一般情况下5min内用完，用刮板将粘结剂涂刷于CFRP布上，而后用特制滚筒沿CFRP布条纤维力方向多次均匀滚压，应沿一个方向滚压，使得粘结剂均匀地渗入CFRP布中，粘结剂厚度不宜过薄也不宜过厚。

（4）粘贴CFRP布

粘贴CFRP布条时，预先将CFRP布条平行绷紧，将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置缓慢粘贴，在粘贴到位后，用特制滚筒沿CFRP布条受力方向多次均匀滚压，应沿一个方向滚压，挤出气泡和多余粘结剂，使CFRP与木梁表面紧密粘合，同时保证粘结剂充分渗入纤维间的缝隙，使整条布最终平整地粘贴于指定部位，滚压时不得损伤碳纤维布，碳纤维布施工30分钟后，用滚筒刷均匀涂抹粘结剂，应在纤维表面的结构粘结剂开始干燥时立即进行下一层粘贴，重复上述步骤，每层的连接处应错开。最后在CFRP布表面再均匀涂抹一层粘结剂。

（5）养护

为保证制作质量，CFRP复合木梁制作完成后，放置在室内养护7天，待粘结剂完全干透， CFRP 材料与木梁有较好的整体性，再进行试验。

（6）自检、修补

以上工序全部完成后应对碳纤维布粘贴质量进行全面检查，可用手指压碳纤维布，查看是否粘接密实，若空鼓面积小于100cm²时，可采用针管注胶的方法进行补救。当空鼓面积大于100 cm²时，将空鼓处碳纤维布切除，重新接粘碳纤维布。

（7）注意事项

CFRP布为导电材料，施工碳纤维片材时应远离电气设备和电源，或采取可靠的防护措施，

配套粘结剂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射，粘结剂的配制和使用场所应保持通风良好，现场施工人员应采取相应的劳动保护措施。

4.所制作的试件见表4。

 

表4   试验木梁

 

5.试验结果及分析

按照《木结构试验标准》（GB/T 50329-2002）对木梁进行三分点静力加载试验，梁的加载装置详见图5（其中3—位移计；4—应变片；5—接长节点；6—分配梁）。试验结果见表5。

表5   试验结果

 

将试件L2与试件L1相比，试件L2的承载力为试件L1的95.2%；足以见得通过此种加固方案，可以使得加固后木梁承载力非常接近于未加工的木梁，达到试件L1的95.2%。

本发明碳纤维布（CFRP布）加固榫卯形式拼接木梁结构及方法的优点：

（1）可以保护古建筑木梁中间段的珍贵木料（如楠木等）。

（2）碳纤维强度很高，很薄，不会对古建筑木梁的外观造成很大的影响。

（3）所提出的方法施工简单，操作方便。

（4）加固后的木梁承载力达到甚至超过原木，安全可靠。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种碳纤维布加固榫卯形式接长木梁的结构，其特征在于：包括榫卯连接的木梁，所述木梁的榫卯节点处外围表面依次分别粘贴有一层或一层以上碳纤维方向和木梁长度方向平行的碳纤维布及碳纤维方向和木梁长度方向垂直的碳纤维布。

2.根据权利要求1所述的碳纤维布加固榫卯形式接长木梁的结构，其特征在于：所述碳纤维布涂覆有粘结剂。

3.一种碳纤维布加固榫卯形式接长木梁的制作方法，其特征在于：

（1）施工准备，从碳纤维布整料上剪下碳纤维布布条，裁减时不能割断纵向纤维丝，同时在各试验梁所需粘贴碳纤维布处用红色铅笔标出边界线；

（2）界面处理，为了保证碳纤维布和木梁间有可靠的粘结性能，先清洁木梁上粘贴表面的尘土、油污等杂质，然后用粗砂纸打磨，以除去木材表面在打磨干燥和加工过程产生的小裂纹及木丝木屑，待至表面平整，再用工业酒精清洗表面并晾干；

（3）涂刷碳纤维粘结剂，首先，将碳纤维粘结剂的A、B两组按照一定的重量比例进行混合，充分搅拌，每次搅拌的胶当次使用以防其快速凝结，每次不超过1公斤，一般情况下5min内用完，用刮板将粘结剂涂刷于碳纤维布上，而后用滚筒沿碳纤维布布条纤维方向多次均匀滚压，应沿一个方向滚压，使得粘结剂均匀地渗入碳纤维布中，粘结剂厚度不宜过薄也不宜过厚；

（4）粘贴碳纤维布，粘贴碳纤维布布条时，预先将碳纤维布条平行绷紧，将碳纤维布用手轻压贴于需粘贴的位置缓慢粘贴，在粘贴到位后，用滚筒沿碳纤维布布条受力方向多次均匀滚压，应沿一个方向滚压，挤出气泡和多余粘结剂，使碳纤维布与木梁表面紧密粘合，同时保证粘结剂充分渗入纤维间的缝隙，使整条布最终平整地粘贴于指定部位，滚压时不得损伤碳纤维布，碳纤维布施工30分钟后，用滚筒刷均匀涂抹粘结剂，应在纤维表面的结构粘结剂开始干燥时立即进行下一层粘贴，重复上述步骤，每层的连接处应错开。最后在碳纤维布表面再均匀涂抹一层粘结剂；

（5）养护，为保证制作质量，碳纤维布复合木梁制作完成后，放置在室内养护7天，待粘结剂完全干透，碳纤维布材料与木梁有较好的整体性；

（6）自检、修补，以上工序全部完成后应对碳纤维布粘贴质量进行全面检查，可用手指压碳纤维布，查看是否粘接密实，若空鼓面积小于100cm²时，可采用针管注胶的方法进行补救。当空鼓面积大于100 cm²时，将空鼓处碳纤维布切除，重新接粘碳纤维布；

（7）碳纤维布为导电材料，施工碳纤维片材时应远离电气设备和电源，或采取可靠的防护措施，配套粘结剂的原料应密封储存，远离火源，避免阳光直接照射，粘结剂的配制和使用场所应保持通风良好，现场施工人员应采取相应的劳动保护措施。