本文是一篇土木工程论文，本文提出了一种铝合金管外包木柱的新型加固方法，并对铝合金加固方木柱进行轴压试验研究，完成了18个工况共63根试件的轴压试验及相应材料的材性试验。
第1章 绪论
1.1 背景及意义
中国木结构建筑发源可追寻至七千多年前，其建造与技艺在唐代达到顶峰，风貌灵泛、措置有方、装潢鬼斧神工，自此成为我国主流建筑，并影响周边东亚其他国家建筑风格[1, 2]。中国木结构建筑蕴含着中华民族特有的历史与人文信息，是科学和艺术的结晶。
中国木结构建筑经过不断的发展，各个时代对木结构建筑各组成部分的构造都有相应规定，如宋代的《营造法式》，传统木结构建造更为追求标准化及一体化，传统木结构建造技术体系已经形成；清代的《工程做法则例》，建造技术更加规整统一，传统木结构体系进一步得到完善。中国木结构建筑大多拥有建成数百年甚至上千年的历史，这些建筑在历经战乱、地震洪水等灾害依旧傲然屹立，可见中国古代木结构建造技术水平高超，如唐朝唐宣宗时期的山西佛光寺大殿、北宋嘉佑年间的应县木塔、明朝永乐年间的故宫等（图1-1）[3]。
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山西佛光寺大殿、故宫、应县木塔等大木作是世人欣赏、感悟、学习中华文化的重要途径，是中国古建筑的瑰宝。如今更多能够反映历史风貌和地方特色的村落式木结构古建筑也形成独特古镇文化（图1-2），为当地的经济发展做出了卓越贡献，为弘扬本地文化起到了积极作用，并保护许多历史文化遗迹，使到访者的精神得到放松，受到了历史的熏陶。
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1.2 木柱加固技术
根据在木结构加固中出现的时间及所使用的材料，木柱加固技术可分为传统木柱加固技术和现代木柱加固技术[18]。
1.2.1 传统木柱加固技术
传统加固技术是使用原材料和原工艺对受损伤构件进行加固的方法，是传统的加固技术。我国对木结构加固技术的相关研究起步较晚，当前大量保护加固工作仍以传统方法为主[19, 20]。
（1）剔补加固技术：木柱受损轻微，对承载性能影响不大时，采用剔补的方法，将腐朽的部分剔除后用原料粘接代替。
（2）墩接加固技术：当柱脚部分出现大面积受损但未超过柱身1/4时，采用墩接的方法，将腐朽的部分剔除后用木料、混凝土或石料进行拼接。
（3）铁件加固技术：当柱体发生开裂时，可以用铁箍进行加固。将铁箍套上后用铆钉进行固定，但木材具有良好的亲水性，所以铁件易发生腐蚀丧失约束力。
（4）更换柱体：当木柱受损严重或发生折断，采用抽换或加辅柱的方法，抽换构件仅适用于与其它构件穿插较少且构造简单的柱子如檐柱。
1.2.2 现代木柱加固技术
现代木柱加固技术主要指采用新材料和新工艺的木结构加固技术，如采用纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer sheet，简称CFRP）、环氧树脂进行加固和预应力加固技术。
（1）CFRP加固技术：CFRP具有易塑性、易裁剪及自重轻等优点，适用于木柱外侧粘贴[21]。由于CFRP材料在木材加固方面使用有限，其耐久性研究并不成熟，并且纤维复合材料加固使用了环氧树脂，其对温度较为敏感[22]。
（2）环氧树脂加固技术：适用于木柱开裂、内部出现空洞的情况。当将低黏度的树脂配比后加压注入木材内部，可木柱增加强度及稳定性，提高防腐及防虫能力[23, 24]。
（3）预应力加固技术：在木结构组装时，复合材料被预先粘在梁、柱和其他部件上，以便在拉伸区产生预拉伸应力，增强了结构的整体刚度和稳定性[20]。
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第2章 铝合金加固方木柱轴压试验
2.2 试件设计
铝合金加固方木柱如图2-1（a）所示，木柱外侧包裹铝合金管，由素水泥浆填充内壁后协同工作。铝合金管高为360mm，尺寸为120mm×120mm，木柱高355mm。
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为研究铝合金加固方木柱中各因素的影响，试验变量为木柱截面尺寸、铝合金管壁厚、素水泥浆水胶比、CFRP包裹木材层数、端部约束、铝木接触、木柱形状，以CW1～CW12为铝合金加固方木柱试件，CW13～CW18为对照试件。考虑木材离散性较大，为得到准确有效的数据，工况CW1数量为6个，工况CW13数量为9个，其余试件数量为3个，共计63根试件。
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2.3 试件制备
试件包括铝合金加固方木柱试件、纯铝管试件、纯木柱试件，试件的切割加工均由厂家完成，制备流程为：前期处理→素水泥浆浇筑→粘贴应变片→找平。
2.3.1 前期处理
因木材具有良好的吸水性，并与素水泥浆直接接触，所以需要木柱表面刷1层丙烯酸防水涂料。将方木柱表面打磨光滑便于涂抹防水涂料，用棉球除去打磨掉落的木屑，表面光滑干净后用刷子涂抹1层防水涂料即可。方木柱防水处理如图2-2（a）所示，左侧为刷防水涂料，右侧为未刷防水涂料。
将铝合金管放于光滑的塑料布上，经过防水处理的方木柱底部涂抹α-氰基丙烯酸乙酯胶粘剂，置于铝合金管中心进行几何对中如图2-2（b）所示，防止在后续工序中方木柱发生偏移。
方木柱布置完毕后，用密封泥胶在铝合金管下端堵住缝隙并固定如图2-2（c）所示，防止在后续工序中铝合金管发生偏移或素水泥浆漏出。
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第3章 铝合金加固方木柱轴压试验结果分析............................. 21
3.1 试验现象 ............................... 21
3.1.1 铝合金加固方木柱.................... 21
3.1.2 端部约束................................ 32
第4章 力学性能分析........................ 49
4.1 承载力 ................................ 49
4.1.1 木柱尺寸............................ 49
4.1.2 壁厚................................. 50
第5章 承载力计算................................... 69
5.1 叠加理论计算公式 .............................. 69
5.2 材料稳定系数 .................................. 70
第5章 承载力计算
5.1 叠加理论计算公式
根据叠加理论，将铝合金管、木柱和素水泥浆三种材料承载力相加得到极限承载力，不考虑相互作用。假定：（1）在轴压试验过程中，试件轴心受压且截面保持平衡，应力均匀分布；（2）铝合金管、素水泥浆、木柱三者间组合良好，无相对滑动且共同受力。
根据材性实验得到的数据，通过公式（5-1）计算出各工况的承载力，各工况承载力计算值与试验值如表5-1所示。
根据表5-1可以看出计算值与试验值差距较大，这是因为三者没有达到相应的极限抗压强度，三者之间相互作用，对木柱进行约束。下面引入《铝合金结构设计规范》（GB50429-2007）[76]和《木结构设计标准》（GB50005-2017）[7]中的稳定系数，运用叠加理论推导计算公式。
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第6章 结论与展望
6.1 结论
针对潮湿环境下木结构对承载力、耐久性、环保性等方面的需求，本文提出了一种铝合金管外包木柱的新型加固方法，并对铝合金加固方木柱进行轴压试验研究，完成了18个工况共63根试件的轴压试验及相应材料的材性试验。得到了各工况下试件的破坏形态、荷载-位移曲线和荷载-应变曲线，分析了木柱尺寸、铝合金管壁厚、CFRP包裹木材层数、端部约束等变量对加固柱力学性能的影响，得出了铝合金加固方木柱承载力计算公式。结论如下：
（1）铝合金加固方木柱以屈曲破坏为主，屈曲开裂位置为中部及端部。在受压过程中木柱受到铝合金管的有效约束，核心木柱处于三向受力状态，整体协同工作，力学性能良好。
（2）铝合金加固方木柱荷载-位移曲线分为四个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段、下降阶段、平缓阶段，荷载-应变曲线分为三个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段及下降阶段。铝合金加固方木柱在上升阶段荷载-应变曲线基本重合，试件内各部分协同作用，木柱尺寸、壁厚、端部约束等变量不同，对试件变形造成影响，下降段走向变动。所有工况峰值位移在2mm~3mm之间，达到峰值后仍具有较高的承载能力，变形性能较好。
（3）铝合金加固方木柱相较方木柱承载力提高115%~341%、初始刚度提高124%~326%、延性提高19%~111%、耗能提高250%~1889%。其中以铝合金管厚度对铝合金加固方木柱影响最显著，7mm壁厚铝合金加固方木柱相对方木柱承载力提高341%、初始刚度提高326%、延性提高111%、耗能提高1889%。
（4）通过实验得出铝合金加固方木柱承载力的影响因素：铝合金管与木柱的稳定性；素水泥浆的强度、含量。叠加理论计算公式中引入稳定系数和折减系数，其计算值与试验值更吻合。铝合金加固方木柱承载力计算公式，其计算误差均值与均方差分别为5.8%和0.018，与铝合金加固方木柱轴压试验吻合较好，可供工程实践提供参考。
参考文献（略）