BFRP筋增強(qiáng)膠合木梁受力性能分析

陳愛軍，賀國京，蔡郭圣，王解軍，彭容新

（中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

面對嚴(yán)重污染的環(huán)境、約束趨緊的資源、退化的生態(tài)系統(tǒng)，國家大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，生態(tài)理念深入人心。土木工程師在建筑材料選用方面注重生態(tài)環(huán)保，推崇建筑與自然和諧，膠合木美觀、可降解、強(qiáng)質(zhì)比高，越來越得到工程師們的青睞，廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。

膠合木的加工工藝使得木材天然存在的缺陷得到有效分散，其具有原木梁不可比擬的力學(xué)性能，但隨著時代的發(fā)展，對膠合木構(gòu)件的力學(xué)性能要求有所提高。在短期荷載作用下，膠合木梁的承載力取決于底部受拉層板的抗拉能力及其變形，如底部受拉層存在木節(jié)等缺陷，將會直接影響構(gòu)件的受力性能。普通膠合木梁受彎時，往往以受拉脆性破壞為主[1]，木梁底部有缺陷位置首先出現(xiàn)裂縫，然后裂縫迅速發(fā)展，導(dǎo)致工作截面高度減小，截面應(yīng)力瞬間達(dá)到極限值，使整個構(gòu)件破壞，受壓區(qū)木材強(qiáng)度得不到充分的利用，其破壞過程無明顯征兆。

在膠合木梁增強(qiáng)方面，研究人員進(jìn)行了一些探索，國內(nèi)外學(xué)者主要采用金屬材料、玻璃纖維和碳纖維等材料來增強(qiáng)膠合木梁。楊會峰等[2-4]將CFRP板材置于木材層板之間的方式來增強(qiáng)膠合木梁，對其進(jìn)行了理論分析及系列試驗研究。Lindyberg R F等[5]共研究了90根FPR增強(qiáng)膠合木梁，通過試驗數(shù)據(jù)建立了非線性概率加筋膠合木梁模型。陸偉東等人[6-9]提出將CFRP板條豎嵌于膠合木梁底層板的方式增強(qiáng)膠合木梁，研究了其彎曲蠕變性能和抗彎性能，并對其界面黏剪應(yīng)力做了理論分析和有限元模擬，得到的界面黏剪應(yīng)力計算公式與有限元分析擬合較好。鞠冬冬[10]研究了CFRP筋增強(qiáng)膠合木梁的抗彎性能，探究了有無粘結(jié)及預(yù)應(yīng)力對膠合木梁增強(qiáng)效果的影響。Laura De Lorenzis等[11]研究了CFRP筋與膠合木之間的界面粘結(jié)性能及增強(qiáng)梁的受彎性能。文獻(xiàn)[12-15]利用金屬材料對膠合木梁進(jìn)行增強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)膠合木梁剛度和受彎極限荷載得到明顯提高。左宏亮等[16]研究了玄武巖纖維材料增強(qiáng)膠合木梁的受彎性能。文獻(xiàn)[17-18]采用玻璃纖維復(fù)合材料增強(qiáng)膠合木梁，并研究了其受彎性能。

國內(nèi)外學(xué)者在提高膠合木梁的剛度和極限承載能力等方面取得了大量的研究成果，而采用玄武巖纖維復(fù)合筋增強(qiáng)膠合木梁的研究較少。在倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的今天，利用具有可回收、強(qiáng)度高的環(huán)保型復(fù)合材料勢不可擋。玄武巖纖維復(fù)合筋是采用高強(qiáng)度的玄武巖纖維及乙烯樹脂或環(huán)氧樹脂在線拉齊、纏繞、表面涂覆和復(fù)合成型的新型建筑材料。玄武巖纖維復(fù)合筋具有優(yōu)異的力學(xué)性能，質(zhì)量輕，化學(xué)穩(wěn)定性和電絕緣性能較好，并且玄武巖纖維筋可回收利用，不會產(chǎn)生污染且性價比高。膠合木梁增強(qiáng)筋選擇玄武巖纖維復(fù)合筋可謂真正的理想選材。

本研究以東北落葉松為原材料，利用現(xiàn)代膠合技術(shù)膠合而成的膠合木梁為研究對象，通過玄武巖纖維復(fù)合筋(BFRP筋)增強(qiáng)的膠合木梁進(jìn)行力學(xué)性能研究，為膠合木梁增強(qiáng)研究提供參考。

1 試驗概況

為提高膠合木梁的抗彎剛度，改善其受彎性能，采用新型環(huán)保材料BFRP筋來對其進(jìn)行增強(qiáng)。本研究以東北落葉松為基材，共制作了6組膠合木試驗梁，為了消除木材的變異性對試驗結(jié)果的影響，每個試驗組包括3根梁。本研究探討了不同配筋率情況下膠合木梁的破壞形態(tài)、剛度和極限承載力。

1.1 試件設(shè)計制作

根據(jù)《木結(jié)構(gòu)實驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[19]（GB/T5039-2012），試件的高跨比不大于1/18時，可不考慮剪切對試件變形的影響，故本試驗?zāi)玖旱母呖绫葹?/18。本試驗?zāi)z合木梁由6層落葉松鋸材層板膠合而成，層板刨光后厚度為32 mm。試驗?zāi)z合木梁尺寸均相同，其尺寸為110 mm×192 mm×3 750 mm（b×h×L）。6組膠合木梁中1組為未增強(qiáng)梁，5組為不同配筋率的BFRP筋增強(qiáng)梁，每根膠合木梁配置2根BFRP筋。試件具體的參數(shù)見表1。

表1 膠合木試驗梁分組及編號匯總Table 1 Summary of grouping and numbering of plywood test beams

BFRP筋通過內(nèi)嵌方式配置在膠合木梁底部，在其底部對稱銑出2個20 mm×20 mm的通長槽，木槽距梁底邊緣20 mm，將BFRP筋放置在槽中，并用環(huán)氧樹脂膠將筋與木梁粘結(jié)成一整體，如圖1。同時，在增強(qiáng)膠合木梁的兩端增設(shè)由鋼板和帶螺母的無縫鋼管組成的錨固裝置（圖2）。

圖1 配筋梁橫斷面(cm)Fig.1 Cross-section of a reinforced beam

圖2 錨固裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of anchorage device

1.2 試件材料

1.2.1 環(huán)氧樹脂膠

本試驗所采用的環(huán)氧樹脂膠為JN-Z植筋錨固膠。它是改性環(huán)氧類高耐腐蝕性、高強(qiáng)度雙組份(A劑和B劑)復(fù)合樹脂膠泥，使用時A劑、B劑按2:1的比例混合。該植筋錨固膠安全且無毒，具有強(qiáng)度高、粘結(jié)力強(qiáng)、耐久性優(yōu)異等特點。其劈裂抗拉強(qiáng)度為16 MPa，抗彎強(qiáng)度為70 MPa，抗壓強(qiáng)度為90 MPa。

1.2.2 膠合木

對10個尺寸為20 mm×20 mm×20 mm的落葉松膠合木構(gòu)件進(jìn)行了含水率和密度測定試驗，得到其平均含水率為13.02%，平均氣干密度為0.61 g/cm3。參考課題組成員對落葉松試件進(jìn)行的抗彎及順紋抗壓試驗得到的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行換算得到膠合木抗彎彈性模量為11.24 GPa，順紋抗壓強(qiáng)度為47.28 MPa，抗彎強(qiáng)度為58.29 MPa，泊松比為0.36。

1.2.3 BFRP筋

試驗前分別對直徑為8、10、12、14、16 mm的BFRP筋進(jìn)行了拉伸試驗，每種直徑試樣3根，得到不同直徑BFRP筋的抗拉強(qiáng)度、彈性模量和極限應(yīng)變等材性參數(shù)如下：8、10、12、14、16 mm直徑的BFRP筋抗拉強(qiáng)度平均值分別為1 126、1 049、910、881、857 MPa，其彈性模量平均值分別為51.2、53.0、54.5、54.8、55.4 GPa，其極限拉應(yīng)變平均值分別為0.021 8、0.019 8、0.016 7、0.016 1、0.015 4。

1.3 試驗加載與測點布置

試驗加載采用圖3所示的三分點加載裝置進(jìn)行。加載分為預(yù)加載和正式加載兩個階段，預(yù)加載以消除使梁與支座間的間隙，并檢查試驗裝置的可靠性及試驗儀器是否正常工作。

正式加載采用分級加載，從零開始逐級施加，每級加載荷載增量為5 kN。試件變形趨于穩(wěn)定后進(jìn)行下一級加載；當(dāng)荷載達(dá)到預(yù)估極限荷載的70%后，每級加載荷載增量為2 kN；當(dāng)荷載加載到預(yù)估極限荷載的85%后，每級加載荷載增量為1 kN，直至試件破壞。

在支座、三分點和跨中位置處各布一個百分表；在梁跨中截面均勻布置6個應(yīng)變片，并在跨中截面梁底及梁頂各布置2片應(yīng)變片；在BFRP筋中點位置粘貼2片應(yīng)變片。并采用配套的應(yīng)變采集儀全程采集，荷載大小通過力傳感器顯示。測點布置如圖3所示。

圖3 試驗加載示意及測點布置 mmFig.3 Illustration of loading test and layout of measuring points

2 試驗現(xiàn)象

W組、L1～L2組梁在加載初期階段基本處于線彈性階段，加載過程中可聽到木纖維拉斷聲，直至木梁破壞，木梁頂部木材無褶皺現(xiàn)象出現(xiàn)，上緣受壓區(qū)材料并沒有得到充分發(fā)揮。未配筋膠合木梁底部薄弱位置一旦開裂，裂縫發(fā)展較迅速，從底層板迅速發(fā)展至其他層板，木梁發(fā)生破壞；對于配筋膠合木梁，此時配筋率較低，在加載過程中梁底首先出現(xiàn)裂縫，其發(fā)展速度較慢，木梁仍能繼續(xù)承受荷載。本試驗中W組、L1～L2膠合木梁發(fā)生受拉脆性破壞，其破壞形態(tài)如圖4(a)～4(c)所示。

圖4 膠合木梁破壞形態(tài)Fig.4 Failure pattern of glued wood beam

L3組膠合木梁在破壞前，木梁頂部木材出現(xiàn)褶皺裂紋。在加載后期有較大的木纖維被拉斷的聲響，膠合木梁產(chǎn)生較大變形，最后受拉側(cè)木纖維被拉斷，整個木梁破壞，木梁表現(xiàn)出一定的延性，屬于受拉延性破壞。破壞形態(tài)如圖4(d)，膠合木梁受壓側(cè)纖維先達(dá)到屈服強(qiáng)度，有褶皺產(chǎn)生，繼續(xù)加載，受拉側(cè)的木纖維達(dá)到極限拉應(yīng)變而被拉壞。

L4～L5組膠合木梁在破壞前，木梁頂部木材出現(xiàn)明顯褶皺和多條裂縫，受壓區(qū)被壓壞，發(fā)生塑性變形，而受拉側(cè)木材卻并未發(fā)生破壞；受壓側(cè)木纖維已達(dá)到極限壓應(yīng)變發(fā)生破壞，受壓區(qū)材料抗壓性能得到充分的發(fā)揮，木梁破壞前有明顯征兆，并表現(xiàn)出較大的延性，屬于受壓延性破壞。破壞形態(tài)如圖4(e)和4(f)所示。

試驗過程中植筋膠沒有出現(xiàn)斷裂，BFRP筋與木梁粘結(jié)可靠，直至木梁破壞，各層層板間未出現(xiàn)相對錯動和開膠現(xiàn)象。玄武巖纖維復(fù)合筋明顯提高了膠合木梁的剛度，也提高了它的承載力。

通過試驗現(xiàn)象可發(fā)現(xiàn)，BFRP筋增強(qiáng)后的膠合木梁破壞類型為受拉脆性破壞、受拉延性破壞和受壓延性破壞。當(dāng)配筋率ρ≤0.77%時，增強(qiáng)膠合木梁表現(xiàn)為受拉脆性破壞，受壓區(qū)材料性能并沒得到充分發(fā)揮；當(dāng)配筋率為0.77%～1.51%之間時，增強(qiáng)膠合木梁表現(xiàn)為受拉延性破壞，受壓區(qū)材料性能得到較好的發(fā)揮；當(dāng)配筋率ρ≥1.51%，增強(qiáng)膠合木梁表現(xiàn)為受壓延性破壞，受壓區(qū)材料性能也得到充分的發(fā)揮，此時，受拉區(qū)木材并未發(fā)生破壞。

3 結(jié)果與分析

3.1 荷載-跨中撓度曲線

圖5為W組、L1～L5組膠合木梁梁的荷載-跨中撓度曲線。

圖5 各組試驗梁荷載-跨中撓度曲線Fig.5 Load-midspan deflection curves of each set of test beams

增強(qiáng)膠合木梁和未增強(qiáng)膠合木梁在加載初期，其荷載-撓度變化關(guān)系均類似，但曲線斜率不同，說明膠合木梁剛度得到提高。增強(qiáng)膠合木梁與未增強(qiáng)膠合木梁相比，其抗彎剛度分別提高了7.1%、10.0%、14.6%、21.8%、28.2%。膠合木梁配筋率越大，其整體剛度越大，各組膠合木試驗梁平均剛度值，如表2所示。

表2 各組試驗梁平均剛度Table 2 Average stiffness of each set of test beams

未增強(qiáng)膠合木梁直至破壞其荷載-撓度曲線仍為線性，而增強(qiáng)膠合木梁的荷載-撓度曲線分為兩個階段，在加載后期其荷載-撓度曲線呈現(xiàn)非線性，其剛度減小，撓度變化速度增加；膠合木梁最終破壞時產(chǎn)生較大的變形，表現(xiàn)出較好的延性。說明使用BFRP筋來增強(qiáng)膠合木梁的方法是有效的，增強(qiáng)膠合木梁變形性能得到明顯的改善，其極限承載力和最大撓度均有提高。

3.2 極限荷載

將未增強(qiáng)膠合木梁和不同配筋率的BFRP筋膠合梁試驗結(jié)果匯總，如表3所示。

表3 試驗結(jié)果匯總表Table 3 Experiment results of of each set of test beams

膠合木梁在梁底開槽配置BFRP筋能提高其極限承載力，配置BFRP 筋增強(qiáng)的膠合木梁與未增強(qiáng)膠合木梁相比，承載力分別提高15.6%、27.8%、36.9%、48.4%、50.5%。

BFRP筋抗拉強(qiáng)度高，將其適當(dāng)配置在膠合木梁底部時，能降低裂縫的發(fā)展速度；試驗梁底層板出現(xiàn)裂縫后，在BFRP筋和受壓區(qū)木材共同作用下，膠合木梁仍能繼續(xù)承受荷載，膠合木梁的極限承載力得到提高。當(dāng)配筋率大于1.51%時，膠合木梁的承載力增加幅度較小，膠合木梁已達(dá)到超筋狀態(tài)，其受壓側(cè)強(qiáng)度得到較充分利用，木梁極限承載力不再增加。試驗梁抗彎極限承載力隨BFRP筋配筋率變化，如圖6所示。

圖6 膠合木梁極限承載力與配筋率變化的關(guān)系Fig.6 Relationship between ultimate bearing capacity and reinforcement ratio of glulam beam

3.3 荷載-應(yīng)變曲線

圖7為W、L1～L5組中梁的跨中位置荷載-應(yīng)變曲線，圖中正應(yīng)變表示受拉，負(fù)應(yīng)變表示受壓，編號①～⑥分別表示各組膠合木梁梁底第1層至第6層層板應(yīng)變平均值，編號⑦表示2根BFRP筋應(yīng)變的平均值。

在加載的初始階段，增強(qiáng)膠合木梁和未增強(qiáng)膠合木梁各測點的應(yīng)變與荷載為線性增加，到加載后期階段，增強(qiáng)膠合木梁應(yīng)變曲線向外側(cè)偏移，受拉區(qū)和受壓區(qū)的應(yīng)變表現(xiàn)出非線性變化，部分試驗梁呈現(xiàn)塑性變形。未增強(qiáng)膠合木梁最底層最大拉應(yīng)變?yōu)?.653×10-3，受壓區(qū)最頂層最大壓應(yīng)變?yōu)?3.391×10-3；增強(qiáng)膠合木梁受拉側(cè)最底層最大拉應(yīng)變分別為 4.028×10-3、4.636×10-3、4.910×10-3、5.332×10-3、5.206×10-3，其受壓區(qū)頂層壓應(yīng)變分別為 -3.925×10-3、 -4.244×10-3、-5.232×10-3、-5.311×10-3、-5.129×10-3，膠合木梁破壞時最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變均有明顯提高。

增強(qiáng)膠合木梁發(fā)生受拉脆性破壞時，膠合木梁底部受壓側(cè)邊緣木纖維未達(dá)到極限應(yīng)變，受拉側(cè)邊緣的木纖維就已經(jīng)達(dá)到其受拉極限強(qiáng)度而發(fā)生破壞，膠合木梁在破壞前未顯現(xiàn)出塑性；當(dāng)膠合木梁發(fā)生受拉延性破壞時，膠合木梁受壓側(cè)邊緣木材應(yīng)變已超過其彈性極限應(yīng)變，膠合木梁呈現(xiàn)出塑性，與此同時，膠合木梁受拉側(cè)木材邊緣應(yīng)變達(dá)到其極限拉應(yīng)變，膠合木梁破壞；膠合木梁發(fā)生受壓延性破壞時，其受壓側(cè)木材邊緣的應(yīng)變達(dá)到極限壓應(yīng)變，但受拉側(cè)木材邊緣還未達(dá)到極限拉應(yīng)變，膠合木梁表現(xiàn)出較明顯的塑性發(fā)展。

圖7 荷載-跨中截面應(yīng)變曲線Fig.7 Load-strain curves for cross section at midspan

膠合木梁底層板應(yīng)變與BFRP筋應(yīng)變變化趨勢基本相同，說明BFRP筋與膠合木梁粘結(jié)較好，直至膠合木梁破壞，BFRP筋應(yīng)變并未達(dá)到其極限拉應(yīng)變，BFRP筋未發(fā)生破壞。

試驗中BFRP筋與膠合木梁未產(chǎn)生相對滑移，BFRP筋與膠合木梁能較好的協(xié)同工作，BFRP筋可有效阻止裂縫的開展，降低木材缺陷對其受彎的影響，膠合木梁受拉區(qū)木纖維應(yīng)變得到相應(yīng)的提高。膠合木梁受壓側(cè)木纖維的極限應(yīng)變有較大的提高幅度，說明配置BFRP筋能使木材抗壓強(qiáng)度利用的較充分。配筋率達(dá)到一定程度，膠合木梁破壞時表現(xiàn)出明顯的塑性破壞特征，膠合木梁受彎時木材抗壓強(qiáng)度不能充分發(fā)揮的缺點得到了有效克服。

4 結(jié) 論

本研究主要對不同配筋率的BFRP筋增強(qiáng)膠合木梁進(jìn)行受彎性能試驗，通過試驗現(xiàn)象和測試數(shù)據(jù)，得出不同配筋率下膠合木梁的極限承載力、破壞形態(tài)，得到以下結(jié)論：

1）配置BFRP筋能延遲膠合木梁受拉側(cè)木纖維受拉破壞，從而使膠合木梁抗彎性能得到顯著改善。并且隨著配筋率的提高，膠合木梁受壓區(qū)層板壓應(yīng)變增大，受壓區(qū)木材強(qiáng)度得到較充分發(fā)揮。所以，配置BFRP筋既可以提高膠合木梁抗彎剛度和極限承載力，又可以改善木材缺陷對其受彎性能的影響。

2）與未增強(qiáng)膠合木梁相比，增強(qiáng)膠合木梁極限承載力分別提高15.6%、27.8%、36.9%、48.4%、50.5%，其剛度分別提高7.1%、10.0%、14.6%、21.8%、28.2%。膠合木梁極限承載隨著配筋率的增加而增大，配筋率超過1.51%后，其承載力不再繼續(xù)增加。

3）BFRP筋增強(qiáng)膠合木梁的破壞類型可分為受拉脆性破壞、受拉延性破壞、受壓延性破壞三種。當(dāng)配筋率ρ≤0.77%時，增強(qiáng)膠合木梁呈現(xiàn)受拉脆性破壞，配筋率ρ在0.77%～1.51%之間時呈現(xiàn)受拉延性破壞，當(dāng)配筋率ρ≥1.51%時，呈現(xiàn)受壓延性破壞。根據(jù)不同的破壞類型，BFRP筋增強(qiáng)膠合木梁同樣可分為少筋梁、適筋梁、超筋梁，其配筋率也分別對應(yīng)于受拉脆性破壞、受拉延性破壞、受壓延性破壞三種類型的配筋率。

4）本研究僅對BFRP增強(qiáng)膠合木梁在短期荷載效應(yīng)下的抗彎性能進(jìn)行研究，而實際工程的結(jié)構(gòu)受力是長期的，有待進(jìn)一步開展BFRP筋增強(qiáng)膠合木梁的長期受力性能比如蠕變性能的研究。同時，應(yīng)考慮木材缺陷、溫度和濕度變化等對BFRP筋增強(qiáng)膠合木梁蠕變性能的影響。