两种加固方式下震损木框架的抗侧移性能

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240124

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (2): 107-114.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.240124

两种加固方式下震损木框架的抗侧移性能

曹纪兴¹, 韩梦凡², 包超², 何海杰³, 刘应扬⁴

^1.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058
^2.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021
^3.台州学院建筑工程学院，浙江台州 318000
^4.郑州大学土木工程学院，河南郑州 450001

收稿日期:2024-03-14 出版日期:2025-02-25 发布日期:2025-02-03
通信作者: 何海杰（1987—），男，博士，副教授，主要从事混凝土结构研究。 E-mail:11312013@zju.edu.cn
作者简介:曹纪兴（1991—），男，博士，研究员，主要从事木结构和健康监测研究。E-mail： cao.cee@outlook.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(523680440);宁夏回族自治区重点研发计划项目(2021BEG03022);宁夏自然科学基金优秀青年项目(2023AAC05015)

Lateral Resistance Performance of Damaged Timber Frames with Two Reinforcement Methods

CAO Jixing¹, HAN Mengfan², BAO Chao², HE Haijie³, LIU Yingyang⁴

^1.College of Civel Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，Zhejiang，China
^2.School of Civil and Hydraulic Engineering，Ningxia University，Yinchuan 750021，Ningxia，China
^3.School of Architectural Engineering，Taizhou University，Taizhou 318000，Zhejiang，China
^4.School of Civil Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，Henan，China

Received:2024-03-14 Online:2025-02-25 Published:2025-02-03
Contact: 何海杰（1987—），男，博士，副教授，主要从事混凝土结构研究。 E-mail:11312013@zju.edu.cn
About author:曹纪兴（1991—），男，博士，研究员，主要从事木结构和健康监测研究。E-mail： cao.cee@outlook.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52368044);the Key Research and Development Program of Ningxia(2021BEG03022);the Outstanding Youth Program Natural Science Foundation of Ningxia(2023AAC05015)

摘要/Abstract

摘要：

纤维增强聚合物加固法和自攻螺钉加固法是木结构加固方法中常用的两种加固方法，目前对于加固胶合木结构的研究多集中在加固后强度方面的变化，抗侧力性能的研究数据偏少，且对于加固震损胶合木框架的研究有限。为研究采用不同方式加固的震损胶合木框架的抗侧力性能，分别对两榀震损胶合木框架采用碳纤维增强聚合物和自攻螺钉进行加固，并增设隅撑，采用水平往复荷载对试件进行加载，对获得的试验结果进行对比分析。试验结果表明：两种加固方法均能有效避免木框架构件顺纹劈裂；与自攻螺钉加固试件相比，碳纤维布加固试件的初始刚度和最大承载能力的提高更加显著，更能抑制裂缝的发展；两榀框架的滞回曲线均呈较饱满的反“S”型，具有明显的捏缩效应。在试验数据的基础上，利用软件Open Sees建立了两榀加固震损胶合木框架的简化模型，并根据试验数据对模型进行校准。校准后的模型得出的滞回曲线与试验滞回曲线吻合良好，验证了模型的准确性和合理性，为进一步的参数分析奠定了基础。基于校准后的简化模型，重点研究分析了重力荷载对加固胶合木框架弹性刚度和最大承载力的影响，发现重力荷载对加固胶合木框架的抗侧力性能有着不可忽视的影响，为加固后的震损胶合木框架提供了科学的参数化分析。

关键词: 震损木框架, 纤维增强聚合物加固, 自攻螺钉加固, 滞回曲线, 参数分析

Abstract:

Fiber-reinforced polymer (FRP) reinforcement and self-tapping screw reinforcement are two commonly used methods for strengthening timber structures. Currently, research on reinforced glued laminated timber (glulam) structures primarily focuses on changes in strength after reinforcement, with relatively limited data on lateral resistance performance. Moreover, studies on reinforcing earthquake-damaged glulam frames are scarce. To investigate the lateral resistance performance of earthquake-damaged glued laminated timber (glulam) frames reinforced using different methods, two earthquake-damaged glulam frames were strengthened separately with carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) and self-tapping screws, along with the addition of diagonal braces. The specimens were subjected to horizontal cyclic loading, and the experimental results were compared and analyzed. The test results indicate that both reinforcement methods effectively prevented the longitudinal splitting of the timber. However, compared to the specimen reinforced by self-tapping screw, the specimen reinforced by fiber-reinforced polymer shows significantly higher initial stiffness and peak load-carrying capacity, which can better suppress the development of cracks. The hysteretic curves of both frames exhibit a relatively anti “S” shape, with an obvious pinching effects. On the basis of the tests, simplified models of two frames were established using Open Sees. The models were calibrated based on experimental data. The hysteretic curves obtained from the calibrated models were in good agreement with the experimental results, verifying the accuracy and rationality of the model and laying the foundation for further parameter analysis. Furthermore, the influence of gravity loading for the specimens on the elastic stiffness and the maximum loading capacity was also investigated. It indicates that gravity load has an undeniable impact on the lateral resistance performance of timber frames, providing a scientific parameterized analysis for the seismic damage of reinforced timber frames.

Key words: damaged timber frame, fiber-reinforced polymer reinforcement, self-tapping screw reinforcement, hysteresis curve, parameter analysis

中图分类号:

TU366.3

曹纪兴, 韩梦凡, 包超, 何海杰, 刘应扬. 两种加固方式下震损木框架的抗侧移性能[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(2): 107-114.

CAO Jixing, HAN Mengfan, BAO Chao, HE Haijie, LIU Yingyang. Lateral Resistance Performance of Damaged Timber Frames with Two Reinforcement Methods[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(2): 107-114.

图/表 15

表1

图1

图2

图3

图4

图5

图6

表2

两榀试件的主要力学性能参数"

试件	$P P$ /kN	$Δ P$ /mm	$P u$ /kN	$Δ u$ /mm	$K e$ /（kN·mm^-1）
比值	1.05	0.97	1.05	1.02	1.08
RF-FRP	121.69	161.67	97.35	169.17	0.64
RF-STS	115.49	167.08	92.39	165.46	0.59

表2

图7

表3

表4

表5

图8

图9

表6

不同重力荷载下的弹性刚度和最大承载能力"

试件	重力荷载/（kN·m^-1）	$P P$ /kN	$K e$ /（kN·m^-1）	$P P$ 的下降幅度/%	$K e$ 的下降幅度/%
RF-FRP	f₁=0	122.75	0.817	0.00	0.00
	f₂=4	118.04	0.786	3.84	3.79
	f₃=8	113.34	0.755	7.67	7.59
	f₄=12	108.63	0.724	11.50	11.38
RF-STS	f₁=0	112.22	0.790	0.00	0.00
	f₂=4	102.00	0.726	9.11	8.10
	f₃=8	92.08	0.661	17.95	16.33
	f₄=12	82.17	0.597	26.78	26.71

表6

参考文献 17

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	XIONG Haibei， LIU Yingyang， YAO Ya，et al ．Experimental study on lateral resistance of timber post and beam structures strengthened with carbon fiber reinforced polymer［J］．Journal of Tongji University （Natural Science），2015，43（10）：1463-1470.
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构件	截面尺寸	材料名称
梁	280 mm × 180 mm	层板胶合木
柱	280 mm × 230 mm	层板胶合木
隅撑	135 mm × 105 mm	层板胶合木
梁柱、柱基节点连接	6.8级普通螺栓，直径14 mm	45号钢
支撑节点连接	6.8级普通螺栓，直径12 mm	45号钢
钢插板地基节点连接	6.8级普通螺栓，直径30 mm	45号钢
钢插板	厚度10 mm	Q235钢

编号	梁柱接头			编号	柱脚接头
编号	参数	数值		编号	参数	数值
1	e_Pf1	0.90	1		e_Pf1	0.93
2	e_Pf2	1.30	2		e_Pf2	1.68
3	e_Pf3	0.52	3		e_Pf3	0.56
4	e_Pf4	0.35	4		e_Pf4	0.25
5	e_Pd1	1.10	5		e_Pd1	0.99
6	e_Pd2	1.30	6		e_Pd2	1.02
7	e_Pd3	0.42	7		e_Pd3	0.55
8	e_Pd4	1.04	8		e_Pd4	0.92
9	r_DispP	0.70	9		r_DispP	0.70
10	f_FoceP	0.155	10		f_FoceP	0.151
11	u_ForceP	0.101 2	11		u_ForceP	-0.082 0

编号	梁柱接头			编号	柱脚接头
编号	参数	数值		编号	参数	数值
1	e_Pf1	0.012	1		e_Pf1	0.012
2	e_Pf2	0.090	2		e_Pf2	0.080
3	e_Pf3	1.720	3		e_Pf3	1.650
4	e_Pf4	0.190	4		e_Pf4	0.080
5	e_Pd1	0.290	5		e_Pd1	0.280
6	e_Pd2	0.830	6		e_Pd2	0.980
7	e_Pd3	3.370	7		e_Pd3	3.430
8	e_Pd4	3.750	8		e_Pd4	3.680
9	r_DispP	0.70	9		r_DispP	0.50
10	f_FoceP	0.055	10		f_FoceP	0.031
11	u_ForceP	0.003 2	11		u_ForceP	0.032 0

参数	数值		数值
g_K1	1	g_D4	0.8
g_K2	0.5	G_DLim	0.2
g_K3	0.5	g_F1	1
g_K4	0.5	g_F2	0
g_KLim	0.01	g_F3	1
g_D1	0.5	g_F4	1
g_D2	0.5	g_FLim	0.01
g_D3	1	g_E	10

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两种加固方式下震损木框架的抗侧移性能

Lateral Resistance Performance of Damaged Timber Frames with Two Reinforcement Methods

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