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中国悠久的建筑历史造就了大量的历史木结构建筑,但是由于年代久远加之自然和人为力量的侵蚀和破坏,许多历史木结构建筑都出现了不同程度的损坏,急需进行维修保护。同时为了避免传统加固方法对历史文物结构性和外观性的破坏,本文引入了一个损伤较小且满足历史建筑“修旧如旧”修缮原则的加固方法——嵌入CFRP加固法。本文通过试验研究的方式,研究采用嵌入CFRP加固后的矩形松(杉)木梁和圆形松(杉)木短柱的力学性能,并在此基础上建立了相应的计算模型和计算公式,以供后续研究参考。
本文的主要工作和研究成果如下:
1.通过嵌入式CFRP材料加固矩形松(杉)木梁的受弯性能试验,研究了试验木梁的破坏形式、受弯承载力、刚度和荷载-挠度曲线,并且验证了受弯截面平截面假定。试验结果表明:除少部分的杉木梁出现纵向剪切破坏,其余试验木梁的破坏形式均为跨中底部和靠近底部处木纤维拉断的受弯破坏;杉木木梁采用板材和筋材加固后受弯极限承载力提高了2.2%~34.8%;松木木梁采用板材和筋材加固后受弯极限承载力提高了7.8%~30.7%;从荷载挠度曲线来看,碳纤维材料加固后的木梁其弹性阶段的刚度和塑性阶段的延性都得到了一定的提高,说明该种加固方式加固木梁是行之有效的;
2.通过嵌入式CFRP材料加固圆形松(杉)木短柱的轴心受压性能试验,研究了试验木柱的破坏形式、受压极限承载力、荷载-应变全曲线。试验结果表明:圆形木柱轴心受压试验的破坏均是以木纤维压溃、错位从而致使木柱失去承载能力;采用嵌入式CFRP加固的试件在木纤维压溃之前都出现不同程度加固材料与木柱剥离的情况。采用嵌入式CFRP材料加固的圆形木柱试件,其轴心受压承载能力较未加固试件得到了一定的提高(杉木提高了1.81%~37.2%,松木提高了2.2%~22.9%),杉木试件提高效果较松木试件明显。从荷载-应变曲线可以看出,加固材料很好的弥补了木柱原有的一些缺陷,试件弹性阶段刚度和塑性阶段延性得到了一定的提升;
3.通过一系列的基本假定,得出相应的理论模型,在此理论模型的基础上判定木梁的破坏模式并推导相应的受弯承载力计算公式,通过与试验结果的比较可以发现该理论模型能够较好的与试验相吻合;通过数据回归得出适用于嵌入式CFRP材料加固木柱的计算公式和相应折减系数。