综述：关于增强木梁的研究综述：NSM技术中的材料与方法

《Materials Today Communications》：A Review on Strengthening of Timber Beams: Materials and Methods in the NSM Technique

　　**Payam Shafigh | Muhammad Aslam**
**中国浙江省温州市温州工业大学建筑与能源工程学院土木工程系，邮编325000**

**摘要**
木材因其良好的机械性能、热绝缘性能以及吸能能力，已被用于建筑中数百年。由于木材会腐烂和老化，因此在使用寿命期间需要特别关注。因此，人们采用传统和现代技术对木材结构构件进行了改良。本研究全面回顾了木材增强的材料和方法，并强调了木材材料及其在近表面安装（NSM）技术中的重要性。文章对比了不同的参数，包括增强材料和粘合剂、木材类型、梁的尺寸标准、应用和固化条件、槽口尺寸及增强位置的布置、湿度以及温度的影响。此外，本研究提出了NSM技术的具体应用方法，同时指出了关键的研究空白，并明确了未来提升木材构件结构性能的方向。研究评估了约600根来自25种木材的梁，这些木材的抗拉强度范围为14至70 MPa，密度介于290至900 kg/m3之间，含水率在10%至18%之间，温度在18至30°C之间。研究还指出，对照组样本的数量不应少于五个，并且应特别注意所选粘合剂的固化过程，以确保更好的粘合效果。

**1. 引言**
木材作为木材制品之一，因其高热绝缘性能而被认为是节能建筑的主要材料之一，有助于营造舒适的室内环境[1][2]。木材还具有良好的机械性能，木材结构的性能主要受连接方式的影响，而非木材本身的强度[3]。与钢铁和混凝土相比，木材加工所需的能源资源较少，且温室气体（GHG）排放量更低[4]。Borjesson和Gustavsson[5]的比较分析显示，在所研究的案例（Walludden建筑）中，混凝土框架建筑的化石燃料消耗量比木结构建筑高出60-80%。另一项研究[6]指出，制造钢梁的总能耗约为制造胶合木梁的2-3倍，化石燃料消耗量则高出6-12倍。此外，胶合木梁在制造过程中的温室气体排放量仅为钢梁的1/5。尽管胶合木梁的机械性能低于钢铁和混凝土，但通过氨预处理、冷轧、热压或蒸汽爆炸等传统增强方法可以改善其性能[7]。

木材是一种有机原料，由木质素和纤维素纤维组成，通过去除树皮获得。木质素赋予木材刚性和硬度，而纤维素则提供柔韧性[8]。木材自然分为两大类：阔叶树的硬木和针叶树的软木[9]。以木材为主要建筑材料的结构被称为木结构建筑，范围从传统的木屋到现代的工程木结构[10][11]。全球每年用于建筑和建造的原材料消耗量约为30亿吨，占全球总消耗量的40%。该建筑行业每年消耗全球约25%的木材、40%的砾石和砂石以及16%的水资源[12]。根据Earth4All[13]的数据，资源消耗在全球低收入和高收入国家之间分布不均，低收入国家和高收入国家的年均材料足迹分别为约4吨和约24吨。报告还指出，包括中国在内的中等收入国家的年均材料足迹将上升到约19吨。尽管报告中没有具体提及木材的消耗量，但作为重要的自然资源，其消耗量将在不同行业中成比例增加。

根据联合国报告[14]，与传统建筑材料（如钢铁、混凝土和玻璃）相比，木材在可持续发展中造成的环境破坏较小，因为这些材料在制造过程中会释放10%的全球能源相关二氧化碳排放量。然而，碱激活水泥在生产过程中的二氧化碳排放量比普通水泥减少了约50%[15]。木结构建筑在可持续发展中发挥着关键作用，因为它们能够储存碳、支持可再生资源并降低隐含能量[16]。例如，16至17世纪意大利佛罗伦萨用石材和木材建造的建筑至今仍可使用，被认为是低碳、减缓气候变化的优秀典范[17]。直到19世纪末，木材一直是主要的建筑材料。许多国家的城镇发生火灾，这导致了防火法规的出台以及高层建筑中禁止使用木材的规定，从而影响了木材在建筑行业的应用。然而，工程木材生产的最新进展、新的建筑技术和更新的建筑规范重新推动了多层木结构建筑的发展[18]。

将木材作为主要建筑材料，尤其是在高层建筑中的应用，极大地有助于实现可持续建筑目标，保护自然环境。这是因为木材的应用所需的加工能量极少；木材在建筑使用期间能储存碳，减少温室气体排放；并且这些产品可以回收再利用[5][19][20][21]。在现代世界中，由于具有较高的抗压和抗拉强度、更好的稳定性、可持续性和多功能性，交叉层压木（CLT）和胶合木（GLL）等木材越来越被选为多层建筑和大跨度结构的结构材料，成为混凝土和钢铁的替代品[17][22]。

根据EN 338:2003[23]和IS EN 1995-1-1[24]标准，所有种类的软木锯材（无论来源和种类）根据强度、木材质量以及含水率为20%时的目标尺寸被分为12个等级。强度等级从C14（最低）到C50（最高），其中“C”表示软木种类，“数字”表示相应的抗弯强度。软木的抗弯强度范围为14-50 MPa，平均密度范围为350-550 kg/m3。硬木的等级为D18至D70，抗弯强度范围为18-70 MPa，平均密度范围为570-1080 kg/m3。通过热处理或化学处理可以改善原始木材的质量，而通过使用各种材料和技术进行增强可以提高其使用性能。这些改进带来了许多优势，如提升结构性能、延长木材寿命，符合使用较便宜木材的可持续建筑理念，提高资源利用效率，减少碳排放，并增强结构的延展性[25][26]。

过去100年里，关于木材及相关研究的论文数量约为7184篇（数据来源：Scopus数据库，截至2025年7月31日）。木材研究始于1910年左右，1970年后受到研究人员和科学家的更多关注，被视为一种新兴的建筑材料。过去20年中，美国、中国、加拿大、德国和日本是木材研究领域的五大领先国家。经过建筑行业的深入探索，木材已成功应用于多种结构构件，如楼板、屋顶板、墙板、弦杆和梁、柱子以及框架。迄今为止，大多数研究集中在木材梁上。自人类文明诞生以来，木材就一直被用作建筑材料。德国莱比锡附近的Altscherbitz井被认为是最古老的木结构建筑，建于约7000年前（公元前5600-4900年）[27]；日本的正历寺也是一座具有历史意义的木结构建筑，建于约1400年前[28]。20世纪时，由于火灾和其他严格规定，木材的使用仅限于低层建筑[29]。然而，在21世纪的现代世界中，木材再次受到公众的欢迎，欧洲和世界各地都在建造许多木结构房屋[30]。在英国和苏格兰，分别约有20%和70%的房屋采用木结构[31][31]。

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**图1. 过去100年木材领域的研究情况（来源：Scopus数据库，截至2025年7月31日）**

过去15年（自2009年以来），建造了许多超过六层的木结构建筑。然而，随着建筑高度的增加，设计、施工和运营阶段的复杂性也随之增加。在水平力的作用下，建筑类似于垂直悬臂结构。在木结构建筑中，侧向荷载通常由垂直墙体作为悬臂来抵抗。这种技术广泛应用于交叉层压木结构，例如英国东英吉利大学的七层木结构建筑[30]。同样，在瑞士的Stadthaus也建造了一座八层木结构建筑，通过设置受压区和受拉区的核心墙体提高了木墙的效率[32]。挪威卑尔根的一座14层木结构建筑采用了胶合层压工程木框架，框架位于建筑周边而非内部核心位置，从而均匀传递受压区和受拉区的荷载[33]。

在使用寿命期间，由于木材的腐烂、老化和荷载增加，木结构始终需要特别关注。直到20世纪60年代，人们仍使用传统的钢棒或钢板[26]和铝板[34]对木材构件进行结构改造。后来，一些研究人员引入了强效环氧粘合剂来固定钢条、钢板或高强度钢丝[35][36][37][38]，以有效增强天然木材和层压木材梁。20世纪70年代，玻璃纤维增强聚合物（GFRP）被用于胶合板的增强[39]。这种FRP还用于制造夹层木梁，采用强效环氧粘合剂[40]。20世纪90年代，FRP首次被用于混凝土、钢铁和木结构的增强[41]。1992年，首座采用FRP增强的木结构建成[42][43]。在相同的FRP和GFRP增强比例下，FRP能赋予木材构件更高的延展性[26]。自20世纪80年代以来，人们开始使用钢筋来增强木材构件。然而，钢和铝基增强材料可能会增加结构的自重，并且安装和运输成本较高[44]。

在近表面安装（NSM）技术中，会在梁表面切割浅槽，然后放入FRP增强材料（棒状或条状），并用粘合剂填充槽口。嵌入粘合剂槽中的FRP提供了更强的粘合性和更高的抗剥离性能。而在外部粘合增强（EBR）技术中，增强材料（包括条状、板状和层压形式的FRP复合材料）以及板状的钢和铝材料通过结构粘合剂固定在梁的外表面。根据结构要求和承载能力，EBR增强通常应用于底部表面或侧面，呈U形包裹形式[45]。NSM和EBR技术是过去研究中常用的两种增强木梁的方法。由于研究木材相关课题的重要性以及该领域研究工作数量的显著增加，本文回顾了以往研究中用于NSM（纤维增强复合材料）和EBR（环氧树脂增强）技术的材料和方法。据作者所知，此前没有研究全面概述过NSM技术用于增强木梁的详细方法论。现有的研究通常以零散的方式描述相关信息，主要集中在材料、粘合策略和应用程序上。本研究旨在为研究人员和实践者提供指导，帮助他们识别和理解木材增强领域的关键因素。本综述涉及的主要参数包括：纤维增强复合材料的类型、增强材料和技术规格、木材的种类、木梁尺寸和数量的选择、胶水和环氧树脂的应用、环氧树脂的固化过程、木梁中的粘合机制、加载类型以及含水量和温度的影响。与以往侧重于随机增强方法和关键参数选择的研究不同，本文提出了NSM技术增强木梁的详细实用方法论。由于众多重要因素会影响木材增强的效果，本文全面回顾了该领域应用的材料和方法，并指出了其优缺点及未来研究的建议。

2. 用于增强木梁的材料
2.1 增强材料
表1列出了专门用于木梁改造、升级和增强的各种增强材料。在以往的研究中，纤维增强复合材料（FRP）是最常用的增强材料。此外，FRP钢筋因其重量轻、施工方便且耐腐蚀性强而成为钢材的替代品[46]。FRP是由聚合物基体（通常是热固性塑料，如乙烯基酯、环氧树脂或聚酯）与高强度纤维（如碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维或芳纶纤维）以及其他添加剂（如颜料或填料）制成的复合材料，这些添加剂可以调节最终FRP产品的性能[47]。碳纤维增强塑料（CFRP）由基于沥青的材料或聚丙烯腈制成的碳纤维嵌入聚合物基体中制成。CFRP具有出色的强度重量比、高刚性，并且非常耐腐蚀、抗疲劳和抗环境降解；当用作结构加固材料时，可以延长结构的使用寿命。由于原材料昂贵且制造工艺复杂，CFRP是所有FRP材料中最昂贵的[48]、[49]、[50]、[51]、[52]。尽管成本较高，但由于其出色的强度和耐久性，CFRP仍然是地震带桥梁加固和建筑改造的常用选择[48]、[53]、[54]、[55]、[56]。

表1. 用于木梁的几种增强材料的性能对比
| 性能 | 材料 |
|------|------|
| 弹性模量（GPa）| 120-300 |
| | 41-265 |
| | 150-165 |
| | 5-24 |
| | 40-180 |
| | 45-110 |
| | 32-46 |
| | 21-70 |
| | 195-210 |
| | 200 |
| | 206.8 |
| 抗拉强度（MPa）| 1600-5100 |
| | 760-5100 |
| | 2500-2700 |
| | 290 & 460 |
| | 1840-3800 |
| | 860-3450 |
| | 655 & 4000 |
| | 620-4800 |
| | 385-3000 |
| | 235-466 |
| | 380-700 |
| | 1650 & 2480 |
| 密度（g/cm3）| 1.5-1.75 |
| | 1.5-1.80 |
| | 1.4 |
| | 1.44 |
| | 1.47 |
| | 1.52-2.70 |
| | 1.9 |
| | 2.5-2.6 |
| | 1.5-2.5 |
| | 5-7.8 |
| 抗拉断裂应变（%）| 1.7-5.5 |
| | 0.6-18.0 |
| | -2.4-5.4 |
| | 1.9-5.5 |
| | 5.5 [76] |
| | -2.6-4.5 |
| | -0.017 με [89] |
| 热膨胀系数（10^-6 °C^-1）| -0.6 至 -0.9 |
| | -2.0 [76] |
| | 3.15 [76] |
| 参考文献 | [25], [41], [73], [76], [77], [78], [92], [93], [94] |
| | [41], [74], [76], [77], [78], [82], [85], [86], [93], [94], [95], [96], [97], [98], [99], [100], [101], [102], [103], [104], [105], [106], [107], [108] |
| | [76], [109], [110] |
| | [41] |
| | [76], [77], [78], [96], [111] |
| | [65], [76], [82], [83], [84], [85], [112] |
| | [74], [76], [85], [113] |
| | [65], [77], [78], [79], [80], [81], [114] |
| | [74], [76], [82], [86], [97], [115], [116] |
| | [89], [95], [116], [117] |
| | [73], [80], [93] |
| | [118] |

注：CTE – 热膨胀系数；CFRP-R = 碳纤维增强塑料棒；CFRP-L = 层压板；FFRP = 亚麻（天然）FRP；AFRP = 芳纶纤维增强塑料；BFRP-R = 玄武岩纤维棒；BFRP-L = 玄武岩纤维层压板；GFRP-R = 玻璃纤维增强塑料棒；GFRP-L = 玻璃纤维层压板；HSSC = 高强度钢绳。

CFRP通过将S玻璃（结构玻璃）或E玻璃（电气玻璃）等玻璃纤维与熔融玻璃和聚合物基体结合制成。E玻璃具有良好的耐热性和高电绝缘性能，而S玻璃的耐热性更好，抗拉强度比E玻璃高约1/3[57]、[58]、[59]、[60]。与CFRP相比，GFRP更轻，由于其经济性而被广泛使用。GFRP是一种耐用、轻质且耐腐蚀的增强材料，因此在需要长期使用寿命和低维护成本的环境中是基础设施项目的理想选择[48]、[61]、[62]、[63]、[64]。

玄武岩纤维增强塑料（BFRP），也称为岩纤维增强塑料，由火山玄武岩或岩浆制成，呈灰色或棕色，熔化后纺成连续纤维并嵌入聚合物基体中[65]。BFRP作为一种环保、耐用、抗拉强度高、重量轻且耐腐蚀的增强材料，成为传统钢材的替代品，它在恶劣环境中的混凝土结构中具有成本效益[61]、[66]、[67]。BFRP纤维对混凝土中的碱类物质具有更好的抵抗力，其抗拉强度高于E玻璃纤维，但低于S玻璃纤维，而成本接近E玻璃纤维[57]、[58]、[59]、[60]。

芳纶纤维增强塑料（AFRP），也称为芳香族聚酰胺纤维，由凯夫拉等合成纤维嵌入聚合物基体中制成。AFRP具有较高的抗拉强度和弹性模量，密度比玻璃纤维低40%[57]、[58]、[59]、[60]。AFRP的静态和冲击强度高于CFRP、GFRP和BFRP，因此在汽车碰撞风险较高的桥梁桥墩加固中更受欢迎[48]、[56]、[68]、[69]、[70]。尽管芳纶纤维成本较高，但在结构应用中较少使用。此外，芳纶纤维会吸收水分，这会对纤维及其复合材料的机械性能产生负面影响，因此在纤维被聚合物基体浸渍之前，需要仔细存储和规划[57]、[58]、[59]、[60]。

亚麻纤维增强塑料（FFRP）是一种由天然亚麻纤维（如棕榈纤维、丝瓜纤维、黄麻纤维和亚麻纤维）制成的环保材料，嵌入聚合物基体中。FFRP重量轻且可生物降解，使其成为可持续建筑的理想选择。FFRP的机械性能低于合成FRP，因此其结构应用受到限制[47]。FFRP的成本低于CFRP和GFRP，但由于其强度和刚性有限，实际应用仍需通过实验验证[71]。

在所有这些FRP类型中，CFRP因其卓越的强度和刚性而在高性能应用中受到青睐，而GFRP则适用于性能要求中等的项目。BFRP和AFRP因其耐久性和抗冲击性而在恶劣环境中越来越受欢迎。FFRP仍处于实验阶段，主要研究其在可持续建筑中的潜在应用。据阿里巴巴2019年的报告，纤维纺织品（平纹编织）产品的价格约为：碳纤维35-60美元/公斤，E玻璃1-2美元/公斤，S玻璃3-7美元/公斤，芳纶（凯夫拉）纤维50-150美元/公斤，玄武岩纤维20-70美元/公斤，亚麻纤维12-20美元/公斤，天然纤维0.5-8美元/公斤[72]。Steger等人[73]报告称，钢材的价格约为6700欧元/立方米，BFRP和GFRP的价格在11500欧元/立方米至14000欧元/立方米之间，AFRP和CFRP的价格在82000欧元/立方米至90000欧元/立方米之间。

表1显示，CFRP以棒材、板材和层压板三种形式使用，其极限抗拉强度范围为2070-5100 MPa，是所有增强材料中最高的。这一结果可以解释为什么在以往的研究中CFRP被广泛用于增强[26]、[74]、[75]、[76]。其次是GFRP-R，其抗拉强度范围为620-4800 MPa，略低于CFRP[25]、[65]、[77]、[78]、[79]、[80]、[81]。玄武岩FRP以棒材和层压板的形式使用时，其极限抗拉强度分别为约3450 MPa和4000 MPa，分别比CFRP低20-32%，比GFRP低约17%[65]、[82]、[83]、[84]、[85]。

表1还显示，CFRP的密度范围为1.5-1.80 g/cm3，平均高于AFRP，低于BFRP和GFRP。在FRP材料中，GFRP层压板的密度最高，为2.55 g/cm3[86]，仍远低于钢材。FRP的密度对增强木梁的整体结构性能起着重要作用。高密度的FRP（CFRP、GFRP和BFRP）显著提高了构件的刚度和承载能力，但也会增加结构元素的自重，从而影响其动态性能；因此需要仔细设计[26]。然而，像FFRP和AFRP这样的较轻FRP材料更易于处理且更环保，尽管它们的机械性能可能不如其他FRP[87]。因此，采用混合FRP系统的平衡方法可以在保持成本和重量控制的同时优化强度[88]。

材料的断裂应变是用于设计目的和预测材料失效及延展性能的重要参数。在FRP材料中，CFRP的断裂应变范围较广，最低为0.6%，最高为18.0%。AFRP和FFRP的断裂应变与CFRP棒材相似。Ghazijahani等人[89]研究了用U形钢板和CFRP层压板增强的木梁的性能。根据应力-应变分析，钢板的断裂应变约为0.017%，此时钢板的杨氏模量和极限应力分别为197 GPa和466 MPa。FRP材料的断裂应变显著影响增强构件的结构性能。较高的断裂应变值使结构元件在失效前能够承受更大的变形，从而在地震或循环加载情况下实现更好的能量耗散和延展性。低断裂应变的材料具有较高的刚度和强度，但可能导致脆性失效模式，限制了梁的大变形能力[90]、[91]。

图2显示了用于木材增强的不同增强材料的弹性模量（MoE）的上下范围。数据显示，CFRP的MoE范围较广，最低值与其他增强材料相当，最高值高于其他FRP和钢材。通常，CFRP棒材的MoE优于层压板和板材形式的CFRP。使用低MoE的FRP材料增强木梁会导致较低的刚度和较低的极限承载能力[109]。在FRP材料中，第二高的MoE值属于芳纶纤维增强塑料（AFRP）和BFRP-R，其上限值分别为约180 GPa和110 GPa，远低于CFRP棒材。第三种MoE值最低的FRP材料是GFRP棒材，其上限值为80 GPa，约为CFRP棒材的71%，低于AFRP棒材的80%，低于BFRP棒材的80%。在FRP材料中，FFRP和玄武岩纤维层压板（BFRP-L）的MoE值最低。用于增强木梁的钢材（棒材、板材或绳索形式）的MoE约为200 GPa，远高于CFRP材料。

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图2. 以往研究中用于木梁的不同增强材料的弹性模量（MoE）的上下范围[25]、[73]、[76]、[85]、[102]、[103]、[104]、[112]、[113]、[114]、[41]、[43]、[65]、[74]、[77]、[78]、[79]、[80]、[81]、[89]、[82]、[83]、[84]、[86]、[92]、[93]、[94]、[95]、[96]、[97]、[98]、[99]、[100]、[101]、[107]、[108]、[109]、[117]、[120]、[121]、[122]。

MoE是CFRP、BFRP、AFRP、GFRP和FFRP等FRP材料在增强木梁时的关键性能参数。FRP材料中较高的模量（MoE）使其能够承受更大的拉力，并提高梁的承载能力和刚度。然而，木材与FRP之间的模量差异较大可能会导致界面处应力集中，从而可能引起过早的脱粘失效[74]、[119]。因此，尽管CFRP具有较高的模量，可以显著改善梁的性能，但确保材料之间的适当粘结和兼容性对于防止这些问题至关重要[26]。在图2中，FFRP的低模量表明与其他增强材料相比，其对增强木材梁的刚度贡献有限。具有最高模量的CFRP-R和CFRP-L表明它们具有更好的刚度，可以显著提高木材梁的结构性能。可以使用这些FRP材料增强的木材的结构行为进行相应预测，预计使用CFRP增强的梁将表现出更高的刚度和承载能力，而使用FFRP的梁可能会表现出更大的柔韧性，但对构件的极限承载能力和刚度影响较小。图3显示了用于木材梁结构增强的增强材料的极限抗拉强度的上限和下限。以杆、板和层压板形式的CFRP复合材料的极限抗拉强度范围为760-5100 MPa。这种类型的FRP在所有用于木材梁的增强材料中具有最高的极限抗拉强度。BFRP杆和BFRP-L的极限抗拉强度上限分别约为3450 MPa和4000 MPa；因此，根据上限，BFRP杆和层压板的抗拉强度分别比CFRP（杆或层压板）低约32%和22%[65]、[82]、[83]、[84]、[85]。此外，FFRP（Flux FRP）和钢材（板和棒）的极限抗拉强度几乎相同，但它们的抗拉强度最低。然而，Borri和Corradi[118]报告称，一种创新的钢材产品——高强度钢绳（HSSCs）的极限抗拉强度明显高于传统结构钢和FFRP，同时与其他增强材料相当。增强材料的抗拉强度存在很大差异，特别是在CFRP-L、GFRP-R和BFRP-L的情况下，这表明这些材料在市场上以不同的质量出售。因此，为了成功地进行增强项目，应通过实验室测试来确定每种特定材料这一重要设计参数的实际值。

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图3. 以往研究中用于木材梁增强的增强材料的极限抗拉强度上下限[25]、[73]、[76]、[85]、[102]、[103]、[104]、[112]、[113]、[114]、[41]、[43]、[65]、[74]、[77]、[78]、[79]、[80]、[81]、[89]、[82]、[83]、[84]、[86]、[92]、[93]、[94]、[95]、[96]、[97]、[98]、[99]、[100]、[101]、[107]、[108]、[109]、[117]。

2.2. 粘结材料
表2显示了用于增强木材梁的粘结材料的详细属性信息。报告中提到了所使用的粘结材料的商业名称。用于木材增强的粘结材料具有压缩强度、拉伸强度、弯曲强度和模量，范围分别为40-100 MPa、5-75 MPa、25-75 MPa、6-10 MPa和2-12.8 GPa，而密度和伸长率范围分别为1.1-2.4 g/cm3和0.2-17.3%。对于木材梁的增强，增强材料通常通过粘合剂粘结到木材梁上。在大多数现场修复工作中，通常使用基于环氧树脂的粘合剂，并根据具体材料调整配方。然而，这些环氧粘合剂对于与木材的粘结来说过于刚性。由于木材缺乏与环氧树脂的化学粘结，且不能提供足够的机械锚固，这常常导致由于木材含水量和尺寸的变化而使木材和环氧树脂之间的表面粘结失效[76]。早期，常用的木材粘合剂如环氧树脂（EPX）和酚醛（PRF）。后来，聚氨酯（PUR）被引入木材粘合剂中以提高其性能[73]。PUR是一类由有机化合物与氨基甲酸酯混合制成的聚合物，这种粘合剂具有多种生物和机械性能；由于其较高的弹性、韧性和耐久性，它在医疗领域（包括药物输送、组织工程和医疗设备开发）中有广泛的应用[123]。1999年，Kemmsies[124]通过拔出试验检验了12种不同粘合剂与木材的兼容性。这12种粘合剂来自四个粘合剂家族，即环氧树脂、单组分和双组分聚氨酯、密封剂粘合剂以及酚醛-甲醛（PRF）。拔出试验结果显示，环氧树脂和PRF的性能更好，而密封剂粘合剂的表现最差。Gustafsson和Serrano[125]研究了使用三种粘合剂（PRF、PUR和EPX）的木材结构的粘结线性能。他们报告称，PRF粘合剂的表现稳定，而EPX和PUR粘合剂则在界面（粘合剂/木材）区域失效，且粘合剂上留下了大量木材纤维。最近，专门为木材开发了环氧树脂配方。然而，确保现场粘合剂的质量取决于施工质量、正确的应用方法和有效的质量控制[126]、[127]。Steiger等人[73]报告称，EPX粘合剂与木材和钢材形成了牢固的粘结，这使得木材本身成为粘合剂-木材界面的薄弱环节；因此，失效通常发生在木材内部而不是粘结处。

表2. 用于增强木材梁的粘结材料的属性
材料 | 压缩强度（MPa） | 弯曲强度（MPa） | 模量（GPa） | 粘结强度（MPa） | 抗拉强度（MPa） | 伸长率（%） | 密度（g/cm3） | 参考文献
--- | --- | --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 环氧树脂/树脂/粘合剂/胶水 | 40-100 | 35-75 | 2.0-11.0 | 6.0-10.0 | 5-75 | 1.4-17.3 | 1.1-2.4 | [25]、[75]、[83]、[92]、[93]、[94]、[97]、[101]、[106]、[109]、[80]、[81]、[102]、[104]、[114]、[118]、[134]、[135]、[136]、[137]、[108]、[117] |
| Sikadur 30 | -- | -- | 12.8-32.7 | -- | [110]、[138] |
| Sikadur 31 | 50-75 | 25-35 | 5.0-9.0 | -12 | 2.0 | 0.4-0.5 | [97]、[112] |
| Sikadur 33 | 55-85 | -3.8 | -30 | 0.9 | 1.3 | [89]、[98]、[106] |
| Mapewood Paste 14 | 0-30 | 4-18 | -- | [133] |
| CB10TSS | -- | 2.4-32.8 | 2.1 | -- | [132] |
| Albipox | -- | 3.4-44.6 | 1.5 | -- | [132] |
| Timberset | -- | 10.9-25.4 | 0.2 | -- | 注：CB10TSS是一种触变型粘合剂，在室温下固化；Albipox是经过纳米分散羧基终止丁二烯丙烯腈（CTBN）改性的CB10TSS |

选择用于木材粘结的粘合剂时应格外小心。粘合剂必须能够有效粘结两种材料并提供足够的强度。为此目的使用的五种主要粘合剂类别是环氧树脂、聚氨酯（PURs）、聚酯、酚醛和氨基塑料[128]。尽管所有这些粘合剂在受控环境中都表现出令人满意的粘结性能[129]，但两部分固化的环氧树脂粘合剂通常被认为最适合现场粘结[130]、[131]。它们是触变型的，具有优异的填充间隙性能和低固化收缩率。在另一项研究[132]中，CB10TSS（表2）触变型粘合剂在室温下具有更好的可操作性和易于应用性，因为它专为木材和混凝土修复而设计。其他粘合剂在几天后完全固化；例如，mapewood paste在固化第七天达到最高强度[133]。Andre[25]报告了选择FRP复合材料树脂时需要考虑的三个主要因素。首先，粘合剂应具有优异的机械性能，提供高刚度、强度和抗破坏应变，以防止脆性失效。其次，强大的粘合剂性能必须确保界面处的可靠粘结，以实现有效的载荷传递并防止裂纹或脱粘。最后，粘合剂必须具有良好的抗环境降解和有害物质的能力。

3. 用于测试的木材梁的选择
3.1. 软木和硬木
自古以来，木材（从青铜时代到19世纪中叶）已被用于燃料、艺术品和建筑材料[139]、[140]。木材分为两大植物学类别：软木和硬木。软木属于裸子植物亚纲，产生无包层的种子；硬木属于被子植物亚纲，种子在子房内产生[9]。软木树木具有针状叶子，并结出鳞片状的球果；它们全年大部分时间都是绿色的，被称为针叶树。属于软木类别的树木包括松树、云杉、落叶松、冷杉、铁杉、红杉、紫杉、柏树、花旗松和雪松。硬木具有宽大的叶子，秋天会变色并落叶，并在果实体内产生种子。硬木树木包括橡树、白蜡树、榆树、枫树、桦树和杨树[9]、[140]。

木材在化学上由氧、氢和碳组成，质量占比分别为约44%、7%和49%，以及少量的金属离子（灰分）和氮[140]。软木和硬木的有机成分主要是木质素（18-32%）、半纤维素（15-35%）、纤维素（40-44%）和提取物（2-5%）[141]、[142]、[143]。表3显示了2023年全球原木生产国及其在不同行业的应用情况[144]。与其他国家相比，美国、俄罗斯、中国、巴西和加拿大是主要的木材生产国。软木的产量和消费量超过了硬木。在木材的初级加工（从原材料到中间产品）方面，对于软木有成熟高效的锯木技术，而对于硬木产品来说，加工仍然具有挑战性[144]、[145]。

表3. 2023年全球各国原木产量及木材消费行业[144]
国家 | 2023年估计原木产量（百万立方米） | 消费行业 |
--- | --- | --- |
| 美国 | 384 | 住宅建筑、家具、节能和抗冲击产品、绿色建筑、木地板、翻新 |
| 俄罗斯 | 202 | 住房和建筑行业、家具、出口到亚洲市场 |
| 中国 | 184 | 住宅项目、家具、木门和窗户、木地板和层压产品 |
| 巴西 | 165 | 住房行业、基础设施项目、硬木地板、燃料消耗、家具 |
| 加拿大 | 146 | 住宅建筑、家具、节能和抗冲击产品、绿色建筑、木地板、翻新 |
| 印度尼西亚 | 92 | 家具、建筑行业、家具、橱柜、地板 |
| 瑞典 | 68 | 多层建筑、可持续门窗、木地板、镶木地板、室内装饰、橱柜、家具 |
| 芬兰 | 51 | |
| 德国 | 48 | |
| 印度 | 46 | 建筑行业、家具、木门和窗户 |

表4列出了在12%含水量条件下选定木材类型的物理和机械性能（这是测量木材性能的参考值[146]）。与花旗松相比，根据表4中给出的最大值，松木的比重约高17%，硬度约高11%，而断裂模量（MoR）和抗压强度分别低约6%和27%[8]、[9]。根据意大利标准UNI-11035[147]、[148]的建议，为了评估花旗松木材的质量，根据其应用和外观检查，将其分为S1、S2和S3三个抗力等级。此外，根据强度和密度，软木分为12个等级，抗弯强度范围为14-50 MPa，密度范围为290-460 kg/m3；硬木分为8个等级，抗弯强度范围为18-70 MPa，密度范围为475-900 kg/m3。考虑到这些标准，Borri和Corradi[118]将密度为423 kg/m3的24根椽子分为三个抗力等级：S1有4根椽子，S2有16根椽子，S3有4根椽子。密度为465 kg/m3的花旗松梁被分为S1和S2两个抗力等级，每个等级各有3根梁；最后，密度为796 kg/m3的橡木梁根据标准被归类为S等级。因此，密度小于423 kg/m3的属于S1等级，密度在423-465 kg/m3之间的属于S2等级，密度大于465 kg/m3且小于796 kg/m3的属于S3等级。木材在12%含水量下的物理和机械性能 [8], [9], [149], [150], [151], [152], [153], [154], [156], [157], [155], [158], [159], [160], [161], [162], [163]。木材类型 比重（kg/m3） 硬度（kN） 抗弯强度（MPa） 弹性模量（GPa） 垂直于纹理方向的压缩强度（MPa） 体积收缩率（%） 软木 道格拉斯冷杉（fir） 0.36-0.54 488-580 2.3 - 3.26 8 - 85 10.0 - 13.0 3.7 - 5.5 11.0 - 13.4 松木 / 松属树 / 辐射松 / 洛布洛利松 0.28-0.65 420-530 3.65 8 - 80 6.8 - 12.2 3.4 - 4.0 9.0 - 15.0 白云杉 / 斯普鲁斯松 / 爱尔兰锡特卡云杉 0.28-0.52 439-519 2.14 58 - 100 8.6 - 13.9 2.8 - 3.5 9.4 - 9.8 硬木 红梅兰蒂 0.26-0.42 260-660 3.1 - 4.4 36 - 67 5.2 - 10.7 4.7 - 8.3 10.4 - 12.5 黄梅兰蒂 橡木 0.42-0.67 620-785 4.7 - 6.7 58 - 128 6.7 - 14.7 4.0 - 6.0 根据表4中的最大值，与道格拉斯冷杉和松木相比，云杉的抗弯强度分别高出约15%和20%。道格拉斯冷杉和松木的压缩强度分别低约12.5%和36.3% [149], [150], [151]。在硬木种类中，橡木的密度比红梅兰蒂和黄梅兰蒂高30-61%，硬度高53-65%，抗弯强度和弹性模量分别高出60-91%和28-37% [152], [153], [154], [155]。因此，橡木更坚固、更耐用，而梅兰蒂木材较轻，易于加工。此外，红梅兰蒂和黄梅兰蒂硬木的密度低于大多数软木。

木材是家具制造和建筑中不可或缺的材料，每种木材都有其独特的特性，使其更适合特定的应用。建筑行业中使用的五种主要木材类型是道格拉斯冷杉、松木、云杉、梅兰蒂和橡木。道格拉斯冷杉，也被称为软木，因其耐用性和抗弯曲或扭曲性能而广受认可。它呈红棕色，纹理直，外观美观。然而，由于其相互交错的纹理，使用手工工具加工较为困难。道格拉斯冷杉常用于框架和建筑，市场供应充足，优点包括变形倾向小、强度重量比高和稳定性好。不过，对于复杂的木制品项目来说，其加工难度较大 [30], [164], [165]。松木是一种颜色较浅的软木，有明显的节疤，外观显得古朴，重量轻且易于加工，非常适合制作家具和橱柜。虽然松木价格实惠且易于获取，但强度较低，容易发生扭曲和变形 [165], [166]。云杉属于生长迅速的软木种类，质地细腻均匀，重量轻，强度重量比高，是屋顶和框架建筑的理想选择。然而，云杉的耐腐性较差，需要更多的维护和保养 [167], [168]。梅兰蒂（红梅兰蒂和黄梅兰蒂）是一种硬木，易于用机器加工，可用于造型、制作橱柜和家具。梅兰蒂比软木更贵，具有美观的外观、较高的强度、更好的抗扭曲和变形能力，以及温度和湿度变化下的尺寸稳定性 [167], [169]。另一种硬木是橡木，因其强度高、耐用性和明显的纹理而受欢迎。由于密度较高，橡木较难加工。不同类型木材的市场需求取决于地区的供应情况、偏好和应用要求。道格拉斯冷杉、云杉和松木等软木成本效益高，通常用于建筑用途。而梅兰蒂和橡木价格较高，主要用于室内装饰、家具和建筑。木材价格因种类和地区而异，一般原木的价格在每立方米5至20美元之间。小型锯材的价格通常在每立方米22至55美元之间。然而，硬木如柚木的价格要高得多，在委内瑞拉约为每立方米220美元，在印度尼西亚则高达每立方米900美元 [30], [171]。

在之前的研究中，研究人员选择了多达九根木材梁作为对照样本进行测试。这些梁未经任何加固处理。研究人员没有具体说明选择这么多对照样本的原因或建议。由于木材不是均质材料，评估多个样本可以提供足够的数据，以计算标准偏差，从而可靠地比较加固前后的梁。少数研究 [95], [110], [118] 仅使用一个样本作为对照梁，并将结果与加固后的梁进行比较。在某些情况下，例如Borri和Corradi [118]，选择了一个样本作为对照，这是基于研究目的——即考察不同粘合长度对梁强度的影响，而不是测试和制造过程中的统计变异性。他们的研究预期实验能够清楚地显示不同粘合长度下梁的强度表现。大多数研究没有解释为什么只选择一个样本作为对照。但在研究云杉胶合板梁时，选择了两个对照样本 [82], [103]。在其他比较新旧木材的研究中，所有样本（无论是对照还是加固的）都进行了两次重复测试 [41], [96], [109], [172]。图4展示了新旧木材梁的横截面。一些研究人员 [104], [173] 选择使用三个样本作为对照梁，以确保结果的真实性。

Nowak等人 [136] 测试了18根大约一百年的老松木样本，并对所有加固梁和对照样本进行了三次重复测试。Yeboah和Gkantou [65] 对20根木材梁在四点载荷下的性能进行了研究。其中4根梁未加固（作为对照），3根在拉伸区用两根BFRP杆加固，5根在拉伸区用两根BFRP杆并在压缩区用一根杆加固；同样，5根梁在拉伸区用两根GFRP杆加固，另外3根在拉伸区用两根GFRP杆并在压缩区用一根杆加固。其他研究人员 [174], [175] 也采用了类似的方法，使用3-5个样本进行梁的重复测试。

在Raftery和Kelly的研究 [112] 中，胶合板梁被分为四类：未加固的、加固的、人工损坏的以及修复后的。对每一类都进行了五次重复测试以获得更好的比较结果。另一项研究 [79] 也选择了五个对照和加固梁的重复样本，以确保结果的可靠性和真实性，其中加固梁的主要变量是加固比例为1.05%、1.4%和2.8%。Borri和Corradi [118] 研究了橡木和白冷杉木材梁的加固效果。对于橡木梁，准备了13个样本进行测试：6根为橡木，7根为白冷杉。对于橡木梁，只有一根作为对照梁；而对于白冷杉梁，选择了两根作为对照梁。所有椽子均为白冷杉制成，共24根，其中4根未加固作为对照梁。对于经过煤焦油处理的道格拉斯冷杉木材，测试了22根半尺寸梁（研究者规定长度为4.3米的梁为半尺寸梁）；7根作为对照梁，以公平比较加固前后的梁的刚度和强度表现；另外3根、6根和6根分别用0.27%、0.41%和0.82%的GFRP棒加固 [81], [114]。在另一项关于洛布洛利松木材梁的研究 [93] 中，选择了21根梁；其中7根作为对照梁，每种加固类别重复测试两次。

Corradi等人 [137] 使用环氧胶和CFRP片材研究了小尺寸（0.5米）和大尺寸（2.0米）的梅兰蒂木材梁的加固效果。图5展示了含有节疤的木材梁截面以及节疤对木材纤维的影响。首先，根据视觉分级对梁进行了检查。分级标准是梁拉伸面的节疤比例：小于1/5的视为无缺陷或未损坏的梁，1/5到1/2之间的视为有缺陷的梁。通过在中跨处切出5毫米深的横向切口来人工制造有缺陷的梁。共准备了24根小梁：5根无缺陷，19根有缺陷（11根有自然节疤，8根有人工缺陷）。这19根有缺陷的小梁被分为两组：8根作为对照（未加固），其中5根有自然缺陷，3根有人工缺陷；另外11根（6根有自然缺陷，5根有人工缺陷）用CFRP片材加固。对于大尺寸梁，12根分为三组：无缺陷组、未加固但有缺陷组和有缺陷但用CFRP加固组，每组重复4次以验证数据的真实性。

在一些研究中 [80], [85]，使用U形FRP和GFRP棒对道格拉斯冷杉和松木梁进行了不同类型的加固，其中9根作为对照梁；对于加固后的冷杉梁，每种类别重复测试5次；对于加固后的松木梁，每种类别重复测试3或4根以获得平均结果。Fernando等人 [113] 研究了使用天然BFRP层压板增强胶合板梁的弯曲能力。研究了54根宽度为92毫米、长度为2.50米的梁。这些梁分为两组：一组为对照梁，一组为有缺陷的梁。第一组包含36根梁：16根作为对照梁，其中8根无孔，8根在中心有一个直径23毫米的孔；4根用0.5毫米厚的BFRP层压板加固，8根用1.5毫米厚的BFRP层压板加固。第二组包含18根有缺陷的梁：9根作为对照梁（未加固），其中3根无孔，3根有23毫米的孔，3根有46毫米的孔。其余9根梁的分配方式与对照组相同，但用0.5毫米厚的BFRP层压板加固。

在木材梁相关的研究中，没有给出关于选择样本数量的统一建议。Yeboah和Gkantou [65] 指出，在使用FRP材料通过NSM技术增强木梁时，应复制和评估更多的样本，因为木材的异质性是一个值得关注的问题。不同研究中控制梁和增强梁的数量存在很大差异，这反映了研究人员对测试结果可靠性的担忧。木材与钢材或混凝土等人造材料不同，它是一种天然材料，具有广泛的品质特性。木材的异质性由多种因素引起，包括树木的树种和生长条件以及纹理结构、密度和含水量。这些变化会显著影响木材的机械性能，如强度、刚度和抗外力能力。因此，在某些情况下，必须评估大量木材样本才能准确评估其性能。这种方法可以确保数据中涵盖多种潜在的行为，并更全面地理解木材在实际应用中的表现。如果样本数量不足，测试结果可能无法准确反映材料的真实特性，从而导致错误的结论，并可能在结构应用中带来潜在危险。例如，Svecova和Eden [80] 选择了9根梁作为对照样本；尽管这些梁被认为相似，但弯曲测试的结果却有很大差异。这些梁的极限承载能力分别为45、50、80、112、118、122、132、136和142千牛顿。这些对照样本的标准偏差和变异系数分别为约8.26%和35.8%。这项研究表明，木材样本的结果存在显著差异。

根据现有文献，实验研究中使用的对照样本数量从1到9个不等。这种不一致性凸显了缺乏统一的做法，可能导致实验结果存在显著差异。由于木材的各向异性和异质性，其机械性能不仅在不同树种之间可能存在差异，在同一树种内部也会因天然缺陷（如纹理偏差、含水量和节疤）而有所不同。因此，如果对照梁的重复次数有限，可能无法提供可靠的结果。在多项研究中，使用1到2个对照样本似乎不足以获得可靠的结果，可能导致对实际结果的低估或高估。因此，基于测试木材梁的实验可靠性，样本的重复次数不应少于5根。然而，这一建议可能需要根据实际条件（如材料可用性、准备和测试成本等）进行平衡。

3.3. 木材类型及其测试时的状态
在这项研究领域，评估了600多根木材梁，以研究NSM和EBR技术中未增强和增强梁的结构性能。这些木材梁来自不同类型的木材，文献中提到了大约25种不同的木材来源名称。然而，对于同一类型的木材，研究报告中的名称可能不同。例如，花旗松木材被描述为冷杉木、窑干花旗松、冷杉和木冷杉。另一个例子是松木，其名称包括白云杉、云杉木、Pinus Caribea、辐射松、Pinus Sylvestris和火炬松。因此，在本综述中，作者将所有相似的木材类型合并为九种：花旗松、红梅兰蒂、黄梅兰蒂、橡木、老实木、随机木材、Pieve Di-Cadore老木材、松木和胶合木梁。为了制备不同尺寸和截面的胶合木梁，使用了多种木材类型，如Pinus Sylvestris、爱尔兰锡特卡云杉、云杉木和木材单板。这些类型被合并并归类为胶合木梁。因此，在梁增强研究中评估了九组木材，如图6所示。

图6还显示，根据研究人员采用的测试条件，每种类型的木材梁可以分为六组：尺寸（小或大）、处理方式（处理过或未处理）、年龄（老或新）、木材类型（软木或硬木）以及木材性质（天然或人造）和损伤状况（无缺陷或轻微损坏）。在“尺寸”组中，长度不超过2.0米的被视为小尺寸，而长度超过2.0米的被视为大尺寸（除非研究人员另有规定）。先前研究中最短的测试梁长度为1.0米 [173]，最长的为10.4米 [114]。在503根小尺寸木材梁样本中，176根是花旗松，20根是梅兰蒂木，169根是松木，118根是胶合木，其余的是橡木和Pieve Di-Cadore木材。共有104根大尺寸样本被评估，其中34根是花旗松，16根是老实木，21根是松木，30根是胶合木梁。

处理过的和未处理过的样本是根据对先前发表的文章中的文献探索和数据收集选定的。所有新鲜的木材样本在测试时都没有涂层或处理层；然而，老样本主要来自拆除的建筑物。这些老样本最初经过了杂酚油处理 [75]、[80]、[81]、[114]，以保护木材免受腐朽、真菌生长和昆虫的侵害。杂酚油是一种经济实惠的木材防腐剂，已使用了一个多世纪；但由于其含有复杂的有毒化学物质，一些政府和组织将其列为限制使用的农药 [176]。瑞典也禁止在桥梁中使用杂酚油，取而代之的是盐浸处理 [177]。在所有（607）根未增强和增强的梁中，评估了82根未经处理的和128根经过杂酚油处理的花旗松木材。其余397根木材来自其他类别，主要是松木（190根）和胶合木（148根）。关于木材梁的年龄，207根花旗松、老实木和松木梁被认为是老木材，因为它们来自30至100年历史的建筑物，而400根是新木材制成的。

大约94%的实验室测试木材属于软木，只有6%属于硬木。在硬木类别中，15根是红梅兰蒂木，6根是橡木，16根是老实木 [102]、[118]、[173]，其余570根是其他类型的软木。木材性质被分类为天然或人造。天然样本是指作为梁制备的实际木板，而在人造类别中，木板和板材通过粘合层压而成，无论是平行还是垂直排列。数据显示，76%的实验室测试梁样本来自天然木材，其余的是用松木和云杉木制成的胶合木梁。

在一些研究中，选定的样本包含轻微的损伤，如节疤和腐朽。研究人员可能会故意在样本上制造这些损伤，但并非所有研究都报告了样本的损伤情况。因此，在本研究中，所有老木材梁都被归类为轻微损坏。共有264根不同类型的受损梁被研究，其余343根是未受损的新木材。总体而言，考虑到所有测试木材梁的类别（图6），花旗松、松木和胶合木梁是先前研究中测试最多的木材类型。

根据现有文献，可以认为尺寸效应（从小尺寸到大尺寸的木材构件）通常会影响实验结果的可靠性。虽然使用小尺寸样本具有节省材料、控制实验室条件和易于处理的优点，但它们无法提供复杂的应力分布、保守的强度预测和失效机制。通常认为尺寸效应是一种统计现象，会导致木材拉伸区的脆性断裂 [114]。此外，化学防腐处理（如杂酚油）可能会对增强木材梁的粘合性能造成显著影响。然而，这些处理可能对木材的物理或机械性能没有显著影响，尽管它们会损害增强材料与木材基材之间的粘合界面。此外，处理质量的差异和木材的老化条件也可能导致结果不一致。Talukdar [178] 报告称，为了确保木材增强构件的结构完整性，应选择兼容的粘合剂，如聚合物异氰酸酯，因为它能特别保持处理表面的粘合耐久性。天然缺陷（如纹理不规则、腐朽和节疤）的存在使得增强方案的预测变得复杂。位于拉伸区的节疤通常会引发失效，并产生应力集中，虽然可以通过增强加固来消除，但无法完全去除。Lengyel和Saad [179] 报告称，节疤通常会对承载能力和刚度产生负面影响；特别是节疤附近的纤维变化会导致应力集中，从而导致拉伸失效。此外，如果节疤位于拉伸边缘附近，会降低构件的承载能力。因此，建议在进行木材实验研究时，应明确定义样本的条件，包括尺寸、表面处理和缺陷特征，并遵循适当的分类标准，以获得可靠和实用的增强木材梁结果。

3.4. 水分、温度和木材调理
木材具有有机性质，由于环境挑战和机械应力，会面临多种损伤和缺陷。缺陷被分类为天然缺陷，包括节疤、纹理偏差、生物反应和裂纹；而由应力和载荷引起的缺陷包括垂直于纹理的应力、水分引起的应力、蠕变、热应力和机械损伤 [181]。水分和温度是直接影响木材性能和木材腐朽速率的重要因素。Palma和Steiger [182] 报告称，作为吸湿材料的木材会从大气中吸收水分，水分的变化会导致木材收缩和膨胀，从而产生水分引起的应力。他们进一步指出，如果木材直接暴露在阳光下或温度变化较大，可能会导致木材元素产生热应力，从而导致收缩和膨胀，进而产生裂纹和开裂缺陷。根据ASTM-D143 [183]，含水量和温度对木材强度有显著影响，必须控制这些因素以获得可比的结果。对于木材样本的测试，样本应在空气中干燥，并在测试前适当干燥以达到大致恒定的重量。标准还规定，木材的机械性能受温度单独或与相对湿度共同影响，建议的木材测试温度范围是20 ± 3°C。该标准没有提出具体的含水量范围；然而，测试过程中应避免发生较大的水分变化。因此，由于温度、相对湿度和含水量会影响木材的性能及其机械特性，在检查和使用木材结构构件时必须仔细监测和考虑这些因素。Alhayek [75] 使用湿度计测量了每个样本中木材梁的三个不同位置的含水量，并报告了平均值在12%到16%之间。Gand等人[83]报告称，云杉（C24等级）木材梁（未经加固和加固的）的含水量在11%到13%之间。C16等级的Sitka云杉木材梁在锯木厂经过烘干处理，含水量约为18%，然后在相对湿度65 ± 5%和温度20 ± 2°C的条件下进行了三个月的调节处理。调节后，平均平衡含水量在11.7%到12.4%之间，标准偏差为0.5%到0.7% [79]，[112]。100年老的松木构件的含水量在测试时约为10%到11% [136]。然而，有报告指出，这些木材梁是在高含水量状态下进行评估的。例如，一组木材梁样本是从一座古老的历史建筑中收集的，并在环境温度（大约18 - 24°C）下进行了压缩测试；测试期间的温度和相对湿度分别为27 - 30°C和46 - 65% [109]。

4. 材料与方法
先前的研究表明，几乎所有类型的木材梁，无论是硬木还是软木，都可以通过替代方法成功加固。在任何基于实验室的木材加固研究中，都需要特别关注材料和方法。为了在这一研究领域获得更好的实际效果，有几个重要因素需要特别注意：木材梁的尺寸、跨度长度、裂缝或节疤的存在、加固材料的性质、粘合材料以及锚固系统。本节详细介绍了与材料和方法相关的信息，包括木材分类、加固材料类型、粘合材料、测试时的木材年龄、固化时间以及NSM技术中木材梁的截面。

4.1. 在木材加固中使用NSM技术的理由
NSM技术是一种通过将加固材料（如钢和FRP）以棒状、条状或层压形式嵌入预先切割的凹槽中来加固现有结构构件的方法，同时使用适当的粘合剂进行粘合 [101]。凹槽通常位于梁的底部（称为NSM方法）或侧面（称为S-NSM方法）。对于钢筋混凝土（RC）梁，底部NSM加固的梁在加固材料达到其极限抗拉强度之前会面临脱粘和混凝土保护层分离的问题，而S-NSM加固可以改善RC梁的抗弯和抗剪性能 [184]。在木材加固方面，大多数先前的研究都是关于底部NSM的，关于S-NSM技术的数据很少。关于NSM方法加固抗弯构件的研究在RC梁中得到了全面的发展，并发现了该方法在混凝土领域的许多优势。De-Lorenzis和Teng [185] 强调了几项优势，包括：a) 减少现场安装时间，b) 提高粘合性能，c) 减少与基材（混凝土）脱粘的机会，d) 便于将NSM钢筋锚固到相邻构件上以防止脱粘失效，e) NSM钢筋的预应力，f) 混凝土对NSM钢筋的保护，意味着减少机械和意外损坏的风险，以及g) 结构的美观性基本保持不变。Raftery和Kelly [112] 指出，使用NSM的优势之一是加固材料不可见，这对于木材结构非常重要，因为它保持了木材的外观。Yeboah和Gkantou [65] 报告称，NSM技术中的应力传递通常通过两个界面区域的化学粘合力实现：1) 应力沿着粘合剂和钢筋之间的界面传递；2) 应力可以通过粘合剂和周围宿主木材之间的界面传递。因此，凹槽尺寸、表面粗糙度和粘合剂材料是NSM技术中粘结能力的重要因素。

该技术在加固任何结构构件方面具有多个优势，例如通过将加固材料嵌入凹槽来提高锚固和粘合效果，与表面安装的加固方法相比。该技术还通过保护加固材料免受环境影响来提高构件的耐久性，并通过减少对结构外观的损害来增加结构构件的抗弯和抗剪承载能力 [26]，[83]。NSM技术适用于木材加固，因为它保持了木材的自然特性而不影响其固有品质；凹槽较小，同时可以通过将加固材料嵌入凹槽来提高木材的弯曲能力和刚性 [186]。Poletti等人 [133] 报告称，使用钢平板条进行NSM加固木材框架是一种有效的方法，可以最大化木材框架中加固材料的效率。与其他加固方法相比，NSM对填充墙的能量耗散相似，但对无填充墙的木材框架墙的性能略有提升。因此，NSM技术提供了一种实用的替代传统方法的选择，结合了有效的加固效果和最小的视觉影响。这种方法的成本与使用钢板进行改造的方法相似，但NSM技术需要更专业的工艺和训练有素的工作人员。另一项研究 [109] 表明，NSM技术比外部粘合的FRP复合板更合适，因为它可以轻松地将加固材料隐藏在凹槽中，并使用相同类型的木质填充物。这种技术特别适合于改造历史建筑，因为木材梁通常是可见的并且经常被装饰。

图7展示了NSM技术中加固木材梁的方法。在木材控制梁中，使用锯切工具制备方形、矩形或圆形的凹槽。切割后，应使用刷子和/或砂纸清洁凹槽。有些研究人员用甲醇清洗凹槽 [79]。清洁后，将选定的粘合剂材料涂抹到凹槽中。不同研究中，凹槽的填充率从30%到100%不等。下一步是将加固材料放入凹槽中，最后用抹刀将多余的粘合剂从表面抹平。样品应放置一段时间以使粘合剂固化。固化时间取决于制造商的建议，根据环氧树脂的类型，固化时间至少为3天，最多为30天。

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图7. NSM技术中加固木材梁的流程：开槽和清洁、填充环氧树脂、嵌入加固材料以及表面清洁。
虽然凹槽会被环氧树脂和加固材料填充，但开槽对木材本身是一种破坏性操作。它不仅需要为放置加固材料提供足够的空间，还需要为粘合剂提供足够的空间以实现均匀的粘合和应力分布。因此，凹槽尺寸必须是最优的，以确保通过最小的初始损伤实现有效的NSM加固，从而获得最大的整体结构改进。图8显示了基于凹槽类型的凹槽面积与加固材料面积之间的关系。该图中的数据来自文献中的选定研究，以了解凹槽形状和大小如何影响加固构件的粘合行为。数据假设每个加固梁有4个凹槽（2个在受拉面，2个在受压面），或者4个凹槽（2个SNSM，2个在受拉面，2个在受压面）。与矩形凹槽相比，方形和圆形凹槽的相关性具有较高的决定系数。较大的加固材料需要较大的凹槽，不仅因为加固材料的尺寸，还因为填充环氧树脂的覆盖层。对于相同大小的加固材料，方形凹槽需要更大的面积。因此，使用圆形凹槽时，对木材的初始损伤较小。图8中开发的关系可以为研究人员提供基于可用加固材料选择和设计凹槽的指导。然而，根据所使用的材料和木材加固的目的，还需要进一步的研究来确定最佳的凹槽尺寸。

4.2. 材料的选择
Gentile [81] 和Gentile等人 [114] 使用了从拆除了经过煤焦油处理的木材桥中收集的道格拉斯冷杉木材梁样本，该桥梁已经使用了超过30年。这些木材梁的抗弯强度为11 MPa，平均模量（MoE）为12 GPa（AASHTO标准 [187] 规定道格拉斯冷杉结构等级的允许抗弯应力为11 MPa）。选择了22根旧的半尺寸（长度为4.3米）木材梁。其中15根梁使用直径为5毫米的GFRP杆通过S-NSM方法进行了加固。选择了三种加固比例：0.27%（每侧加固4根GFRP杆，共3根梁），0.41%（每侧加固6根GFRP杆，共6根梁）和0.82%（每侧加固12根GFRP杆，共6根梁）。此外，还选择了4根全尺寸（长度为10.4米）的相同冷杉木材梁，其中2根梁使用直径分别为10毫米和13毫米的4根GFRP杆进行了NSM加固。第三根梁在矩形凹槽中每侧使用了直径为13毫米的2根GFRP杆进行了S-NSM加固。

在另一项研究 [75] 中，研究了曼尼托巴基础设施和交通部提供的经过煤焦油处理的道格拉斯冷杉木材梁的结构性能（该部门在加拿大拥有约2000座木材桥梁的库存），这些桥梁的年龄未知。共选择了26根梁来研究NSM和S-NSM技术的加固效果。对梁的物理评估显示，沿梁周长的煤焦油处理层的平均深度约为20毫米。26根梁被分为两组进行加固，主要区别在于在受拉区和受压区应用NSM技术的方式。在第一组中，仅在受拉区使用了2根GFRP层压板进行加固；而在另一组中，受压区使用了2根较小的GFRP层压板，受拉区使用了2根相同的GFRP层压板。

Svecova和Eden [80] 探索了使用20毫米GFRP杆通过NSM技术加固旧桥的道格拉斯冷杉弦材梁。这座桥大约有30到40年的历史，弦材最初涂有20毫米厚的煤焦油层，在使用期间表面出现了一些轻微的风化损伤。木材梁样本是从桥的弦材中切割成2米长的小段制备的。

Maritime Pine来自软木树，可用于墙框架。Poletti等人 [133] 研究了这种类型木材梁的加固，其截面尺寸为120×160毫米2。这些梁使用截面尺寸为8×20毫米2的钢平板条通过NSM技术进行了加固。所使用的钢平板条为CK45类型，其极限强度为670 MPa，模量为194 GPa。CK45是一种中碳钢，具有良好的强度和延展性平衡，在结构和机械工程中有着广泛的应用[188]、[189]。Gand等人[83]研究了使用BFRP杆增强NSM的木梁的弯曲性能，这些木梁在实验室中制造成了双梁截面，如图9所示。所用木材为新鲜的白云杉。测试用的木梁由两根平行的木材通过螺丝机械连接而成，随后在螺丝连接的木梁底部用直径为10毫米的BFRP杆进行了加固。下载：下载高分辨率图片（49KB）下载：下载全尺寸图片图9. 使用螺丝连接的两种相似木材的放大截面木梁（改编自Gand等人[83]）。在Raftery和Kelly[112]的研究中，使用直径为12毫米的BFRP杆（极限抗拉强度为1000 MPa）通过NSM和S-NSM技术对由五块木板制成的木梁的受拉区进行了加固。这些木板来自爱尔兰种植的低等级（C16级）锡特卡云杉，标称截面尺寸为44×96毫米，长度为4.2米。通过粘合将这些木板组合成新的木梁截面（胶合层压木材），尺寸为96×190毫米。在NSM和S-NSM加固方案中，每个受拉面上使用了2根BFRP杆。Raftery和Whelan[79]研究了相同尺寸和条件的胶合层压木材，但使用直径为620 MPa的GFRP杆通过NSM技术对木梁的受拉区和受压区进行了加固。他们准备了25根木梁，其中20根采用不同的加固方式：5根木梁在底部三个方形凹槽中各放置了6根直径为6毫米的GFRP杆；5根木梁在底部两个方形凹槽中各放置了2根直径为12毫米的GFRP杆；另外5根木梁在圆形凹槽中每个区域各放置了2根GFRP杆。在Yeboah和Gkantou[65]的研究中，也使用BFRP和GFRP杆对新鲜白云杉木梁进行了加固。这些木梁要么单独加固（底部两根杆），要么双重加固（底部两根杆，顶部一根杆）。Nowak等人[136]研究了恢复一座百年历史建筑中松木制成的木梁承载能力的可能性。木梁的缺陷有四种类型：裂纹、夹杂物、生物腐蚀和纹理倾斜。他们使用了厚度为1.2毫米、宽度为50毫米、极限抗拉强度为2800 MPa的CFRP条（Lamelle CFK）进行加固。D’Ambrisi等人[109]研究了从拆除的历史建筑地板中提取的旧木梁的加固效果，并将这些木梁的结构性能与新木梁进行了比较，尽管它们的尺寸几乎相同。加固过程中使用了极限抗拉强度为2500 MPa、厚度为1.2毫米、宽度为24毫米的CFRP板，采用NSM技术[109]。4.3. 木梁尺寸的选择在钢筋混凝土（RC）和钢结构构件的设计中，规范规定的标准根据适用性、荷载条件和结构完整性而有所不同。例如，对于RC梁，ACI 318-05[190]根据支撑条件和跨度长度推荐了最小厚度以控制挠度。Eurocode 3[191]对钢结构构件的设计强调了细长比以防止屈曲失效。与RC和钢结构构件类似，木构件的设计也取决于所受荷载、跨度长度和支撑条件，以确保结构完整性和符合标准规范。例如，国际建筑规范IBC-2018第23章[192]规定，仅用于楼面荷载的重型木结构构件的最小尺寸为8×8英寸，用于楼面和屋顶荷载的组合情况的最小尺寸为木柱8×8英寸，木梁和梁的最小宽度为6英寸，深度为10英寸。仅用于屋顶荷载时，最小柱尺寸可为6×8英寸；而对于屋顶框架和木桁架，最小宽度和深度范围分别为3-6英寸和6-8英寸。Eurocode 5[193]为三种类型的木材（实心木材、层压单板木材和胶合层压木材）提供了结构设计指南，并根据20%的含水量将它们分为两类。选择这一特定含水量是因为大多数木材的含水量低于20%，如第3.4节所详述。这些标准确保木梁能够安全承受荷载，并提高其在各种应用中的耐久性和性能。在之前关于NSM技术加固木梁的研究中，虽然考虑了不同木材来源和尺寸的梁的结构行为，但未考虑标准限制。许多研究由于实验室条件限制使用了缩比试件，而有些研究则评估了全尺寸试件以反映实际条件下的结构行为。在Gentile[81]和Gentile等人[114]的研究中，半尺寸木梁的尺寸选为长度4.3米、截面100×300毫米；全尺寸木梁的尺寸选为长度10.4米、截面300×600毫米。类似的道格拉斯冷杉全尺寸木梁（长度4.5米、截面130×330毫米）也使用了GFRP板进行了加固[75]。在Gand[83]的研究中，使用两根截面为45×72.5毫米的云杉木梁制作了一根截面为90×72.5毫米、长度为1.2米的木梁（图9）。在Raftery和Whelan[79]的研究中，将五块尺寸为38×96毫米的锡特卡云杉木板粘合在一起，制成了一根截面为96×190毫米、长度为3.42米的胶合层压木梁。此外，Yeboah和Gkantou[65]使用了截面为70×215毫米、长度为2.5米的白云杉木材来研究其加固效果和结构性能。D’Ambrisi[109]使用CFRP板加固了来自意大利Pieve Di Cadore一座拆除历史建筑的截面为120×120毫米、平均长度为2.5米的木梁。Nowak[136]的研究中，从拆除的桥梁中收集了估计年龄为30-40年的道格拉斯冷杉弦材，制成长度为2.0米、截面为100×300毫米的木梁用于加固。Nowak[136]还选择了来自一座百年历史建筑的松木（Pinus sylvestris L.）木梁，截面为120×220毫米、长度为4.0米，使用CFRP条进行加固。对之前研究中用于加固的木梁不同尺寸的详细调查表明，选择梁的尺寸并没有统一的设计策略。研究人员在尺寸选择上受到商业和实验室要求以及材料可用性的限制。例如，实际结构行为研究选择了长度10.4米、截面300×600毫米的全尺寸木梁[114]，而实验室控制环境研究则更适合使用长度1.0米、截面50×50毫米的小型木梁[173]。然而，由于难以获取古老和历史建筑中的老木材，可以选择宽度在100-120毫米、高度在200-600毫米、长度不超过10米的木梁。使用广泛尺寸的优势在于，它允许研究人员探索不同的加固方法，比较新旧木材的性能，提供标准化指南，并确保研究结果适用于各种实际场景。4.4. 粘合材料在NSM技术中，粘合剂（如胶水或环氧树脂）的选择非常重要。这些粘合剂作为传递构件间剪切应力的介质。因此，所选粘合剂除了具备其他工程性能外，还必须具有良好的剪切强度和抗拉强度[185]。商业上常用的粘合剂包括环氧树脂、聚氨酯、聚酯和氨基塑料，用于将木材有效粘合到FRP部件上[194]。在Gentile[80]、[81]、[114]的研究中，使用了两组分环氧树脂作为粘合剂来加固经过煤焦油处理的道格拉斯冷杉木材。这种粘合剂由一份树脂和一份硬化剂组成，这两种液体材料通常分开储存，仅在粘合时混合。制备好的粘合剂固化速度较慢，开放时间（也称为工作时间或湿铺设时间）为4-6小时。初次化学固化（两部分混合后开始凝胶形成的阶段）在混合后36小时开始，最终化学固化（两部分反应完成阶段）在18°C下混合72小时后完成。完全固化的环氧树脂在20°C下的抗压强度为55 MPa[81]、[114]；而在另一项研究中[80]，使用了在4°C安装温度下抗压强度为72 MPa的环氧树脂来加固道格拉斯冷杉木材。Alhayek[75]使用了具有优异性能的玻璃纤维面漆作为环氧粘合剂，如7天时的高抗压强度55 MPa；它非常适合修复孔洞和生锈的金属，以及加固道格拉斯冷杉木材。这种环氧树脂也与这种木材兼容，能够实现所需的粘合效果。两组分环氧树脂同样由一份树脂和一份硬化剂组成，这两种液体材料通常分开储存，仅在粘合时混合。例如，通过将组分A（环氧树脂）与组分B（硬化剂）以100:34.5的重量比或100:42的体积比混合，在搅拌器中以每分钟400-600转的速度搅拌5分钟直至均匀[195]。Yeboah和Gkantou[65]也使用了两组分环氧粘合剂来粘合BFRP和GFRP杆与木梁。这种环氧树脂具有触变特性，收缩性能更好；因此建议在木表面和FRP材料之间使用2毫米厚的粘合剂层。触变粘合剂在受到剪切应力、搅拌或震动时粘度降低，但在静止状态下会变稠并恢复[196]。当需要从下方或垂直表面施加粘合剂时，使用触变粘合剂非常方便[197]，以防止环氧树脂从接缝区域流出。Raftery和Whelan[79]指出，在研究胶合层压复合木梁时，应仔细考虑不同材料（如木材和粘合剂）之间的接头。木材是一种天然材料，会随周围温度和湿度发生变化。如果使用不同的材料（如胶水或粘合剂）连接木板，由于木材与其他连接材料的收缩或膨胀差异较大，接头处的应力可能会显著增加。因此，使用粘合剂来连接木材和加固材料可以更均匀地传递应力。Harvey和Ansell[198]指出，不建议仅使用环氧树脂来加固和修复与木纹理平行的木材表面，因为这可能导致木材沿纤维方向被拉裂（较弱的方向导致损坏）。他们建议进行仔细的表面处理并使用较厚的粘合剂层来均匀分布应力。Madhoushi和Ansell [199]的实验测试结果表明，将粘合剂层厚度从2毫米增加到4毫米可以使木材构件的静态强度达到或超过原始强度，但界面的疲劳寿命会降低。Poletti等人[133]使用了一种触变环氧树脂作为粘合剂，其抗拉强度为18兆帕，弯曲弹性模量为4.0吉帕。这种环氧树脂在固化7天后达到了完全强度。在Gand等人[83]的研究中，也使用了双组分环氧树脂来增强白云杉木材。用于填充缝隙的粘合剂厚度范围为2毫米至12毫米。所使用的粘合剂由两部分组成：一部分是环氧树脂，作为基底；另一部分是硬化剂（也称为固化剂）。制造商推荐的环氧树脂混合比例为1:0.4，即330克树脂与145克硬化剂混合。在20摄氏度的环境下固化超过5天后，复合材料可以获得最大68兆帕的抗压强度和70兆帕的弯曲强度。对于云杉木材，研究人员[112]使用PRF粘合剂进行木材层压以制备胶合梁，而公认的土木工程用环氧树脂Sikadur 31则用于在木材梁和BFRP棒之间创建牢固的粘合。D’Ambrisi等人[109]使用环氧树脂通过NSM技术将CFRP板粘合到旧木材梁和新木材梁上。他们使用了一种低粘度环氧树脂以确保有效渗透到木材的孔隙中。然而，这项研究中没有指定环氧树脂的固化时间。在用CFRP条增强100年老的松木梁时，使用了改良的S&P树脂55。该树脂通过添加硅粉（作为填充剂和增稠剂）以100:80的比例进行了改性[136]。Yeboah和Gkantou [65]使用了一种双组分触变环氧树脂，其抗拉强度为40兆帕，CFRP与木材之间的粘合层厚度为2毫米。选择这种粘合剂是因为其比传统粘合剂具有更好的填充性能、更小的收缩特性和触变特性。

总体而言，NSM技术中并没有推荐特定的环氧树脂或粘合剂类型用于木材梁的增强。尽管大多数先前研究中使用的粘合剂表现良好，但在选择粘合剂时，最重要的考虑因素之一是其与木材类型的兼容性。

4.5. 试验样品的制备
NSM技术中木材梁增强的研究方法涉及根据粘合剂类型仔细处理槽切割、粘合剂的应用和固化方法。在以往的研究中，FRP材料的应用方式各不相同，如图10所示。一些研究人员使用FRP棒进行增强，将1-4根棒插入方形或圆形槽中；还有一些研究人员将FRP条放置在梁的底面，如图10a-c所示。棒与底面的距离范围为20-30毫米。此外，还在梁的侧面距离梁底部25-30毫米处开槽，如图10d所示。一些研究人员使用S-NSM技术，在两个矩形槽中分别放置两根、三根或六根FRP棒，棒与底面的距离范围为30-50毫米，如图10e-g所示。当一个槽中嵌入多根增强筋时，必须适当分组或间隔这些筋（使用合适的间隔物或技术），以优化应力从木材到筋的传递效果。然而，这一重要的技术要点在大多数先前的研究中并未得到充分强调。

图10. NSM技术中的增强木材梁截面 [65], [75], [79], [81], [83], [109], [112], [114], [136]。
图10h展示了在S-NSM技术中使用5毫米厚×51毫米宽的FRP条，这些条以三层形式平行于梁的方向铺设，条与条之间的距离为30毫米，距离底部25毫米 [136]。Svecova和Eden [80]研究了通过S-NSM技术进行弯曲和剪切增强的木材梁，他们在梁中心的钻孔中安装了直径16毫米、长度255毫米的GFRP销钉，如图10i所示。销钉或钻孔之间的间距（S）为150或300毫米 [11]。在这种布置中，钻孔在放置销钉之前先填充了粘合剂。为木材梁提供销钉增强的概念类似于含有箍筋的钢筋混凝土（RC）梁。对于弯曲增强，FRP棒和条也被用于拉伸区和压缩区。一些研究人员在拉伸区和压缩区使用圆形槽而不是方形或矩形槽 [10j-k]。通常，研究人员在选择槽形状时并未详细说明该形状的性能优势。

在为FRP棒选择木材梁槽尺寸时，应确保槽周围有足够的空间以便粘合剂充分粘合。研究人员[81], [114]针对不同直径的棒（例如5.1毫米直径的GFRP棒）使用了不同尺寸的槽：半尺寸木材梁中，槽的深度为25毫米，宽度为10-20毫米；全尺寸木材梁中，直径为13毫米、10毫米和13毫米的棒分别使用20×20、15×15和40×20毫米的槽。槽的制备可以使用木材雕刻机（切割工具）在底部表面或侧面进行；之后用刷子彻底清洁槽以去除灰尘和杂质。Alhayek [75]也使用木材雕刻机开槽，并用刷子和吸尘器清洁以确保环氧树脂与木材之间的良好粘合。清洁后，先将环氧树脂倒入槽中，然后插入GFRP层压板。使用抹刀将表面抹平直至平整并与底部表面齐平。Poletti等人[133]使用嵌入式雕刻机在木材框架上开槽，为宽度8毫米、深度20毫米的扁平钢棒制备了宽度12毫米、深度23毫米的矩形槽，从而保持至少1.5毫米的侧边覆盖层以获得更好的粘合效果。像往常一样，在将棒插入槽之前，先用压缩空气清洁棒，然后填充结构用木材胶。如果需要，可添加额外的胶以形成光滑表面。为了实现环氧树脂与木材之间的有效粘合，粘合剂厚度至少应为1.5毫米 [133]。此外，还建议FRP棒的锚固长度约为棒直径的15倍 [133]，FRP条的锚固长度约为条高度的7.5倍 [185]。

NSM技术中木材梁增强的研究方法流程如图12所示，分为四个阶段：
第一阶段：筛选包括选择木材梁的类型，可以是实心梁或胶合梁。Raftery和Whelan [79]报告称，可以在实验室中制备胶合梁。他们使用PRF粘合剂（施用率为400克/平方米）将五块木材板粘合在一起。粘合后，在相对湿度65±5%、温度20±2摄氏度的条件下施加0.7兆帕的压力24小时。选择木材梁后，应使用木材雕刻机或基于计算机的机器开槽。
第二阶段：准备包括清洁槽。开槽后，应使用刷子、吸尘器或压缩机去除杂质和木屑。物理清洁后，通常会对槽和增强材料（棒或条）进行消毒以去除油性颗粒，并可以涂抹环氧树脂珠。Gand等人[83]制备了带有额外3毫米覆盖层的圆形槽，以确保BFRP与木材之间的良好粘合。他们用甲醇清洗槽以去除灰尘和油性颗粒。Gand等人[112]还用甲醇喷洒清洗BFRP棒以去除表面杂质。
第三阶段：此时需要决定是否提供特定类型的间隔物以保持棒周围的均匀间距或覆盖层。Raftery和Whelan [79]在他们的样品中使用了间距为400毫米的2毫米钢丝作为间隔物。在此阶段之后，在将棒放入槽之前，应填充粘合剂，填充量达到槽体积的30%至100%。
第四阶段：处理和固化包括将FRP棒轻轻放入几乎填满的槽中。放置后，应旋转移动增强棒以更好地附着粘合剂层。然后，需要重新填充粘合剂并去除槽内的空气空隙。最后，应清除表面的多余粘合剂以形成平整光滑的表面。样品在测试前必须进行固化，固化时间可能从3天到30天不等，具体取决于粘合剂制造商的建议。

图13展示了NSM技术中增强木材梁的示意图。图13a展示了NSM技术中常见的含FRP棒的槽类型。图13b展示了当FRP棒和条在硬化粘合剂中受压时，它们周围的周向和纵向应力分布情况。这种应力分布的描述借鉴了Hassoun和Al-Manaseer [200]对RC梁的研究。他们指出，拉伸区的钢筋受到拉力作用，从而产生拉拔力，这种拉力会在钢筋周围产生径向应力（周向应力），并通过钢筋与混凝土之间的粘合传递给混凝土。因此，考虑到RC梁中的这种径向（周向）应力分布机制，NSM技术中的FRP增强方式类似。这一结果突显了粘合剂的重要作用，因为它必须足够坚固以承受应力，并同时提供良好的粘合，从而均匀地将应力从木材梁传递到FRP增强材料。此外，FRP棒在槽中的长度方向上必须均匀分布，且粘合剂厚度也应均匀，以确保应力分布均匀；否则可能会降低粘合效果并导致过早失效。为了保持FRP棒在槽中的均匀排列，Raftery和Whelan [79]使用了直径2毫米的钢丝作为间隔物，以400毫米的间距沿FRP长度方向排列，如图13c所示。

4.6.**梁测试装置**
在先前的研究中，加固的木梁主要采用三点或四点加载系统进行评估。图14展示了四点加载下的测试装置示意图。在加载点下方必须放置一个承重板，以防止应力集中并减少局部压痕。研究人员在测试过程中还使用了横向支撑结构来加固梁。

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**图14. 木梁的测试装置示意图 [83], [114]**

对于花旗松木制的半尺寸和全尺寸木梁，施加了单调载荷，加载点之间的间距为600毫米，以保持剪切跨度与有效深度的比例大于5.5，从而避免剪切失效 [65], [79], [80], [81], [114]。Alhayek [75] 在三点加载条件下，以3毫米/分钟的位移速率对全尺寸加固木梁进行了评估。研究中使用了长度为500毫米的承重板（未报告板材材料和厚度）来均匀分布载荷。在另一项研究 [83] 中，为了防止木材承受过大的应力，在梁的加载点之间放置了一块厚度为7毫米、宽度为50毫米、长度为125毫米的FRP（纤维增强塑料）板。此外，Raftery和Kelly [112] 对云杉木梁进行了四点单调加载测试，并施加了300牛顿的预载以测量梁的刚度。这种预载最初是为了在胶合木梁中均匀分布压缩应力。预加载后，以0.57毫米/秒的速率进行了位移控制加载。此外，在加载头处使用了厚度为10毫米、宽度为90毫米、长度为95毫米的钢板，以减少局部压痕 [112], [136]。在NSM（近表面安装）技术的相关研究中，大多数情况下都是对木梁进行四点单调加载测试。Poletti等人 [133] 考虑了静态和动态加载对加固木框架抗震性能的影响。关于NSM加固木梁在循环载荷下的研究较为有限。

**5. 结论与备注**
本研究全面回顾了近表面安装（NSM）技术中用于木梁加固的材料和方法。文章介绍了木材类型、梁的尺寸选择、加固材料、粘合材料以及设计方法。基于对相关文献的深入分析，可以得出以下结论：

1. 木材是一种广泛应用于家具制造和建筑领域的基本材料，不同类型的木材具有不同的特性，使其适用于特定的应用场景。建筑行业中研究最多、使用最广泛的五种木材是花旗松、松木、云杉、梅兰蒂木和橡木。
2. 木梁通过多种类型的FRP（纤维增强塑料）进行加固，包括CFRP（碳纤维增强塑料）、GFRP（玻璃纤维增强塑料）、BFRP（玻璃纤维布增强塑料）、AFRP（芳纶纤维增强塑料）和FFRP（氟纤维增强塑料），这些FRP的形式包括棒材、带材、板材和层压板。在所有类型的FRP中，CFRP因其优异的强度和刚度而在高性能应用中受到青睐；而GFRP则适用于对性能要求中等的项目，因为其成本更为经济。BFRP和AFRP因具有较高的耐久性和抗冲击性，在恶劣环境中尤为适用。
3. 弹性模量（MoE）是FRP材料的重要性能指标：较高的弹性模量意味着木材梁能够承受更大的拉力、更高的载荷能力和更高的刚度。然而，木材与FRP之间的弹性模量差异可能导致界面处应力集中，从而引发过早的剥离失效。因此，必须确保材料（木材和FRP）之间的良好粘结和兼容性，以防止过早失效。
4. 尽管木材与环氧树脂基粘合剂之间的化学粘结性不强，且不能提供足够的机械锚固效果，但它仍然是加固木梁时最常用的粘合材料。在各种粘合剂中，推荐使用具有触变特性的双组分环氧树脂粘合剂进行现场粘结，因为它具有优异的填充间隙性能且固化收缩率低。
5. 根据测试木梁的实验可靠性，每个试样的重复次数不应少于五根。不过，这一建议需根据实际情况（如材料可用性、制备和测试成本等）进行权衡。
6. 共有约600根木梁采用了NSM和EBR（电束加固）技术进行加固，这些木材来自25种不同的树种。根据测试结果，这些木梁可被分为六组：尺寸（小或大）、处理方式（经过处理或未经处理）、年龄（老旧或新鲜）、木材类型（软木或硬木）、木材性质（天然或人造）以及损伤情况（无缺陷或轻微损坏）。通常，长度不超过2米的木梁被视为小尺寸梁，超过2米的木梁被视为大尺寸梁（除非研究人员另有规定）。
7. 水分含量和温度是显著影响木材力学性能的关键参数。测试过程中不同类型木梁的含水量、相对湿度和温度范围分别为10%-18%、46%-70%和18%-30°C。测试时的适宜温度为20±3°C，同时应尽量控制水分变化幅度。
8. NSM技术不仅是一种有效的木梁加固方法，还能保持木材的天然特性，不会影响其固有品质。
9. 图12展示了NSM技术中木梁制备的方法流程图。应清洁方形、矩形或圆形凹槽中的灰尘和微小颗粒，并用甲醇等液体进行消毒。然后，用选定的粘合剂填充凹槽体积的30%至100%。放置加固筋时，应保持筋周围1-3毫米的均匀间距。去除多余的粘合剂后，根据制造商的建议进行固化处理，固化时间可能从3天到30天不等。
10. 虽然为NSM加固制作凹槽会在木梁上造成初始损伤（这些损伤随后会被粘合剂和加固材料填充），但凹槽尺寸必须合适，以确保有效的NSM粘结和最小的木材损伤。图8显示，对于相同尺寸的加固材料，方形凹槽所需的面积大于圆形凹槽。
11. 在NSM技术中放置加固材料时，强烈建议使用特定类型的间隔物以保持粘合剂在筋周围的均匀间距。为此，可以使用间距为400毫米的2毫米钢丝。

**作者贡献声明**
Payam Shafigh：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、监督、数据分析、概念化
Muhammad Aslam：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、数据分析、数据整理