胶合木结构的加固技术研究_郑磊.pdf

建筑施工第45卷第1期91胶合木结构的加固技术研究郑 磊上海建工一建集团有限公司 上海 200129摘要：依托重庆某国际会议中心项目为施工案例，针对局部范围内胶合木开裂的问题，通过介绍胶合木结构的破坏形式，总结了修复或提高胶合木结构性能的方法，给出了典型的加固技术，可为类似古建筑胶合木结构加固研究提供参考。关键词：胶合木结构；破坏形式；加固技术；全螺纹自攻螺丝中图分类号：TU746 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2023)01-0091-03 DOI：10.14144/ki.jzsg.2023.01.023Study on Reinforcement Technology of Glued Wood StructureZHENG LeiShanghai Construction No.1(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200129,ChinaAbstract:Relying on an international conference center project in Chongqing as a construction case,aiming at the problem of glued wood cracking in local areas,this paper introduces the failure modes of glued wood structures,summarizes the methods of repairing or improving the performance of glued wood structures,and provides typical reinforcement techniques,which can provide a reference for the reinforcement research of glued wood structures similar to ancient buildings.Keywords:glued wood structure;failure mode;reinforcement technology;full thread self-tapping screw1.1 开裂破坏胶合木结构受周围环境的影响，从而引起含水率的改变，导致横截面收缩或膨胀。横截面上含水量的不均匀分布或约束变形会导致内应力改变，如果超过材料强度，还会导致横截面上出现裂缝，显著降低承载力。对于确定胶合木结构开裂对剩余承载力或刚度的影响，目前暂无研究方法。裂缝的数量和分布取决于几个因素，例如木材、缺陷、荷载情况、梁形状和胶合构件的胶合线质量。1.2 弯曲破坏弯曲导致纵向拉应力和压缩应力分布在横截面上。由于木纤维断裂，拉伸应力导致脆性破坏。纵向压缩应力导致弹性和塑性变形，可描述为韧性变形。由于天然缺陷，与抗压强度相比，抗拉强度可能会降低。因此，弯曲破坏主要是由受拉区内木梁的脆性破坏导致的，弯曲破坏被归类为临界破坏，可导致结构元件或整个结构的单一破坏。1.3 压缩破坏纵向压缩应力下的破坏主要发生在木桁架、梁或柱中。压缩应力下的破坏也可以描述为塑性变形的延性破坏，主要发生在支架或必须转移高载荷的加载点。在这种情况下，这些塑性变形会进一步导致整个结构内的偏心和载荷重分布，从而导致结构部件的应力过大，整体稳定性也会受到影响。胶合木是一种现代木结构建筑中常用的工程木产品，通过胶合层叠的方法提高了木材的利用率，并且能够制作出有较强抗变形能力的胶合木构件1。胶合木结构作为木结构中的主要受力构件，其受力性能对整个结构安全至关重要。木材是一种各向异性的自然材料，其顺纹抗剪强度和横纹抗拉强度很低2。本文针对重庆某国际会议中心项目部分胶合木结构开裂现状，主要研究了胶合木结构的可能破坏形式，并总结了胶合木结构的加固方法，旨在为胶合木结构加固提供一定的参考。1 胶合木结构的破坏形式在胶合木结构中，受水分变化、真菌和昆虫攻击等不同方面的影响，结构会存在承载力降低和变形过大的现象。机械和生物损伤也会导致结构的承载力降低。当超过一定强度的应力后，会导致不同类型的破坏，如开裂、弯曲、压缩、拉伸或剪切破坏。作者简介：郑 磊（1980），男，本科，高级工程师。通信地址：重庆市九龙坡区袁家岗中新城上城5栋9楼（400041）。电子邮箱：收稿日期：2022-11-15改扩建工程RECONSTRUCTION&EXPANSION PROJECT20231Building Construction921.4 拉伸破坏当拉应力超过抗拉能力时，木材就会发生脆性破坏。对于木材梁底拉伸破坏，由于垂直于木材纹理的抗拉强度低（由于自然缺陷几乎为零），垂直于纹理的拉伸应力下的破坏更常见。因此，木材产品大多经过优化，以增加垂直于纹理的抗拉强度。1.5 剪切破坏在大多数情况下，弯曲应力和挠度限制决定构件的设计。但对于短梁、锥形梁或特殊载荷情况，剪切应力可能更为重要。一般情况下，梁的剪切应力在靠近支座处达到最大值。此外，端部切口梁和带孔梁可能会导致剪应力集中3。剪切应力引起的破坏以纤维滑动为主，因此平行于晶粒开裂，被视为脆性破坏。大多数裂纹是闭合的，因此很难检测到它们是否在梁的末端。2 胶合木结构的加固修复方法2.1 收缩裂缝或分层修复修复胶合木结构的收缩裂缝或胶层部分分层。在通常情况下，裂缝的修复与其他加固措施一起进行。对于胶合层压木结构，通常需修复垂直于纹理的高剪切应力和高拉伸应力区域的收缩裂缝。通过修复恢复胶合板构件的承载力。对于宽度小于10 mm的裂纹开口，可通过注入黏合剂进行修复4。通常，修复程序包括使用锯子、刨刀或研磨机切割裂缝，以形成一个干净的槽。在使用合适的黏合剂填充之前，必须清洁插槽，可以选择刷底漆，并且必须准备填充孔和通风孔。所使用的黏合剂通常是触变环氧树脂，所使用的类型应特别配制，用于木材的黏结。2.2 更换被破坏的构件真菌和昆虫易破坏腐烂的木材，导致木材多孔且易碎，使木材强度降低。这种破坏通常发生在梁的局部，木材与砌体支撑墙体直接接触的端部。在此情况下，梁的其余部分状况通常良好。其他类型的意外损坏，如火灾损坏，可能导致构件横截面减小，从而导致强度和刚度不足。应更换腐烂和损坏的构件，并对构件进行升级，以恢复构件的承载能力。修复方法包括用新的木材结构替换受损部分，该构件通过带有木钉或黏合剂的嵌缝连接到原始梁上，或者使用纤维增强聚合物（FRP）与原始胶合木梁中的木材进行黏合。纤维增强聚合物沿其纹路方向的抗拉强度很高，而木材的顺纹抗压强度较高，由于这2种材料具有良好的性能，在FRP修复胶合木梁时，这2种材料的性能可以很好地协同利用。2.3 钢筋加固修复为提高胶合木梁的抗弯强度和刚度，需添加与现有构件共同作用的加强元件。有多种加固元件可供选择。加强元件可以是杆、板或其他结构等形式，使用机械固定件或结构黏合剂连接到梁上。这些加强元件主要材料为钢筋，可以放置在构件的内部或外部。多年来，钢筋元件被很多学者研究用于加固胶合木材料。由于木梁通常以脆性方式在拉伸时失效，因此将钢筋定位在梁的受拉面上对于提高弯曲强度非常有效。随着受拉钢筋百分比的增加，梁的中性轴向梁的底部移动。因此，木材中的压缩应变相对于拉伸应变增加，并且压缩屈服可能在木材最终拉伸失效之前发生。Kliger等5研究了加固胶合木梁时的拉伸面和压缩面之间的钢筋分布对弯曲强度和刚度的影响。为了达到最大强度，75%的钢筋应位于底面，25%位于顶部。为了达到最大延展性，所有钢筋应放置在底部。当钢筋在顶面和底面之间均匀分布时，可实现最大刚度。垂直于胶合木梁纹理张力失效破坏可能发生在切口梁、孔洞周围以及弯曲、锥形或倾斜的弧形梁中。在这些情况下，可以使用内部或外部钢筋来加固胶合木结构。内部钢筋的类型包括自攻螺钉、螺纹钢棒等。外部加固通过机械连接或者胶合在胶合板、FRP板上实现。可用于加固剪切梁的方法与用于抵抗垂直于晶粒的张力的方法相同。其中包括螺钉形式的内部钢筋或FRP黏结杆，以及侧板形式的外部钢筋。Akbiyik等6使用六角螺栓、方头螺钉、胶合板，研究了水平劈裂的胶合木桁架结构的抗剪加固。螺栓用环氧树脂黏结在从顶部钻入的垂直孔中。方头螺钉以45垂直安装，胶合板用螺钉固定在梁的侧面。所有修复类型均有效，残余剪切应力平均增加62%。3 案例研究重庆某国际会议中心项目B1戴胜酒店3层套房胶合木结构的梁柱局部位置出现了裂缝，当沿着裂缝开了一道槽口后进行观测，发现大部分裂缝仅仅只是表面开裂，深度不超过10 mm，目前发现屋面梁开裂位置绝大部分为木包钢位置，三层套房的屋面屋架下弦为钢梁，四周采用35 mm厚度胶合木板在工厂进行胶合预制（即钢芯木），其外包裹木为装饰构件。梁开裂典型位置如图1所示，柱子开裂典型位置如图2所示。本次拟对胶合木的开裂原因进行分析及加固处理。图1 胶合木梁开裂位置 图2 胶合木柱开裂位置郑磊:胶合木结构的加固技术研究建筑施工第45卷第1期93开裂原因分析：对B1戴胜酒店相应范围内的胶合木开裂问题进行构件检测，检测结果为现场未见因构造、节点、连接构件缺陷引起的异常，胶合木构件未见危险性腐蚀及虫蛀。木柱裂缝主要为胶合木层板表面裂缝及木层板间胶合处竖向裂缝，木桁架梁裂缝主要为钢芯木梁钢材与木层板连接处裂缝和木梁层表面的裂缝。依据鉴定报告综合分析：木结构裂缝为受温度变化、环境作用等多种因素引起的材料收缩变形所致，不同材料连接处收缩变形不一致也会引起相邻材料连接部位开裂。木结构裂缝未改变其结构的现状安全性，为保证结构构件的耐久性，应对其采取加固措施。具体对开裂的胶合木做如下3个步骤（结构补缝、开裂防治与加固、表面加强及美化）的处理。3.1 结构补缝沿着开裂位置开一道6 mm宽的槽口，槽口需顺直。根据槽口的长度，准备1根宽度为7 mm的木条（木条比槽口的宽度大1 mm，比槽口厚度大3 mm左右），木条采用与胶合木同材质、纹理相近的花旗松木材，木条需打磨顺直、光滑。在木条上满涂PUR结构胶（制作胶合木的胶水），将木条敲进槽内（木条高出胶合木3 mm左右），将木条打磨至与胶合木平齐。PUR胶为发泡型胶水，硬化时能产生毛刺进入木材内部，使木材与木材之间通过PUR胶水形成一个结构受力整体。修补完成后，将高出表面的木条及硬化后的多余胶水打磨干净，直至与胶合木平齐。3.2 胶合木开裂防治、加固方法对于木结构梁柱出现的裂缝，拟根据木结构中的组合梁柱做法，采用全螺纹自攻螺丝固定的方法进行木结构开裂的防治和加固。本项目通过螺丝或者螺栓的机械连接方式将薄木板（规格材）组合成一个整体受力的结构梁柱体系。按照组合梁柱的原理，对于本项目，计划垂直胶缝间距150 mm错位打3排全螺纹自攻螺丝，木螺丝直径9 mm，长度300 mm，以防止木结构产生裂缝，并使胶合木柱的结构性能得到加强。自攻螺丝采用意大利进口的Rothoblaas全螺纹自攻螺丝。全螺纹自攻螺丝常用于木结构的梁柱加固。3.3 采用现场胶合工艺对胶合木表面进行加强及美化处理由于对胶合木表面进行自攻螺丝加强，会对表面的外观有些破坏，因此，对胶合木柱的表面采用现场胶合工艺进行加强和美化处理。具体做法为：准备厚度为15 mm 390 mm的胶合木结构板（每根柱子4块），采用汉高普邦胶LOCTITE HB S709型聚氨酯胶黏剂，固化时间60 min。胶合之前需将基层打磨光滑清洁，将胶水涂满结构板，用F夹固定于胶合木柱的4个面，4 h后卸载，然后清理表面胶水残渣，清洁打磨，将棱角导圆。采用这个做法会加大柱子截面尺寸30 mm，同时使柱子的结构性能得到加强。为了增强胶合木结构整体工作性能，从而达到提高其承载力的目的，本项目案例采用自攻螺丝加固胶合木结构的修复方法。因自攻螺丝的抗拉强度较高，当其沿着垂直木材横纹方向贯入胶合木结构中时，能和木材间建立良好的黏结，提高木梁的横纹抗拉能力和顺纹抗剪能力，从而提高整体性能。本项目通过结构补缝和美化处理后，修复效果对外观没有不良影响，是目前修复胶合木结构中较为经