BFRP加固木梁抗彎性能的初始試驗(yàn)

李飛,王全鳳,陳浩軍,黃奕輝

(1.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,福建泉州362021; 2.中國華僑大學(xué)建筑土木(澳門)協(xié)會(huì),澳門999078)

BFRP加固木梁抗彎性能的初始試驗(yàn)

李飛1,王全鳳1,陳浩軍2,黃奕輝1

(1.華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,福建泉州362021; 2.中國華僑大學(xué)建筑土木(澳門)協(xié)會(huì),澳門999078)

通過對(duì)6根矩形截面木梁的靜力試驗(yàn),研究玄武巖纖維布(BFRP)加固木梁的破壞特征、截面應(yīng)變、極限承載力等抗彎性能.結(jié)果表明,BFRP加固木梁能夠有效提高木梁的承載力;在加載過程中,BFRP加固木梁的剛度有很大程度的提高.同時(shí),受木節(jié)的影響,纖維布加固木梁存在很大的離散性.

木梁;玄武巖纖維布;加固;抗彎性能;極限承載力

在我國現(xiàn)存的古建筑中,木結(jié)構(gòu)占有相當(dāng)?shù)谋壤?如杭州的六和塔和山西應(yīng)縣木塔等都已有數(shù)百年的歷史.木結(jié)構(gòu)建筑具有重量輕、溫暖舒適、健康環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),比現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)更具有自然親和力與民族特征.隨著社會(huì)生活品質(zhì)的提高和對(duì)傳統(tǒng)建筑認(rèn)識(shí)的價(jià)值回歸,人們?cè)絹碓街匾晜鹘y(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的保護(hù)工作[1-3].木結(jié)構(gòu)中的梁、枋、檁是整個(gè)木構(gòu)架中的主要構(gòu)件.從力學(xué)的角度分析,這些構(gòu)件都屬于受彎構(gòu)件[4].木材在空氣中易老化,受臺(tái)風(fēng)、地震、雨水、廢氣等影響易被破壞.因此,對(duì)這些古建筑進(jìn)行維修加固是一件迫在眉睫的事情[5].目前,在結(jié)構(gòu)加固中用得比較多的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP),主要是碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)和芳綸纖維(A FRP)[6-8].玄武巖纖維(BFRP)的耐高溫性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐腐蝕性、導(dǎo)熱性、絕緣性等許多技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于其他纖維,且性價(jià)比高.基于此,本文對(duì)BFRP加固木梁的抗彎性能進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究和分析.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試件設(shè)計(jì)

制作6根木梁,其中3根為對(duì)比梁,3根為加固梁,均為矩形截面(b×h=80 mm×120 mm),跨度為2 400 mm,凈跨為2 200 mm.考慮木材的離散較大,D-1,D-2,D-3均未加固,作為對(duì)比梁;B-1,B-2,B-3在梁底粘貼1層玄武巖纖維布,作為加固梁,延伸至距支座10 mm處.

1.2 材料性能

試驗(yàn)梁所用的木材為福建水杉,其順紋抗拉強(qiáng)度為77.36 M Pa,順紋抗壓強(qiáng)度為36.03 M Pa,彈性模量為10.820 GPa;而粘接樹脂選用日本產(chǎn)的小西“E2500S型”樹脂,體積混合比為2∶1.加固材料性能,如表1所示.表1中:σt為拉伸強(qiáng)度;σs為壓縮強(qiáng)度;Ec為彈性模量;εl為極限應(yīng)變.

1.3 加載方案及測量方案

試驗(yàn)在華僑大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的200 kN微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.加載方式為通過分配梁兩點(diǎn)集中加載,在正式加載之前對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載,然后,按3 kN·m in-1緩慢加載直至破壞.

表1 加固材料的性能指標(biāo)Tab.1 Mechanical p roperties of BFRP

試驗(yàn)測量內(nèi)容包括木梁跨中位移、支座沉降,跨中截面木纖維的應(yīng)變.在梁跨中截面沿高度均勻設(shè)置5個(gè)應(yīng)變片,所有測量數(shù)據(jù)均由DH3816型靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)同步采集.加載裝置及測點(diǎn)布置,如圖1所示.

圖1 加載裝置及測點(diǎn)布置(單位:mm)Fig.1 Loading setup and distribution of measuring points(unit:mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 破壞形態(tài)及極限荷載

對(duì)比梁和加固梁在加載前期,材料基本處于

彈性狀態(tài).隨著荷載的增加,跨中撓度增大.加載過程中未出現(xiàn)裂縫,支座沉降很小,可忽略,在木梁達(dá)到極限荷載之前,可以聽到明顯的木纖維斷裂聲,但表面觀察不到任何開裂,之后伴隨著“啪”的一聲脆響,木梁突然斷裂(同時(shí)加固梁的玄武巖纖維布受應(yīng)力集中作用被分條拉斷).

對(duì)比梁和加固梁均是由于受拉區(qū)缺陷處受拉木纖維達(dá)到極限拉應(yīng)變而破壞,破壞點(diǎn)為跨中或加載點(diǎn)處,均屬受彎破壞(圖2).這是因?yàn)槟静目估瓘?qiáng)度對(duì)缺陷處產(chǎn)生的應(yīng)力集中比較敏感.由于BFRP布的錨固長度較長,沒有出現(xiàn)端部剝離破壞.所有梁的試驗(yàn)結(jié)果,如表2所示.表2中:Pl為極限荷載.從表2中可以看出,加固梁的承載力比未加固梁均有很大程度提高.由于選材不當(dāng),試件D-3,B-2跨中含有較大木節(jié),材質(zhì)等級(jí)很低,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較差,將不再進(jìn)行討論.

表2 試件的測試結(jié)果Tab.2 Test results of specimens

圖2 試件的破壞形態(tài)Fig.2 Failuremodes of specimens

圖3 試件的荷載-撓度曲線Fig.3 Load-deflection curve of specimens

2.2 荷載-撓度曲線

木梁在整個(gè)加載過程中,其荷載(P)-撓度(Δ)曲線分為線性、屈服兩部分,如圖3所示.加載初期,木梁處于彈性階段,荷載-撓度曲線為線性;然后,木梁進(jìn)入塑性階段,剛度減小,撓度增加較快.破壞前變形很大,屬延性破壞,加固梁的延性要比未加固的梁好一些.從圖3中可明顯看出,加固梁的剛度也有很大的提高.

2.3 荷載-應(yīng)變曲線

木梁跨中截面各測點(diǎn)的應(yīng)變(ε)隨荷載(P)的變化曲線,如圖4所示.從圖4中可以看出,在整個(gè)加載過程中,各測點(diǎn)的應(yīng)變-荷載關(guān)系基本上是線性的;當(dāng)受壓區(qū)應(yīng)變達(dá)到曲屈服極限時(shí),木梁中性軸下移,各測點(diǎn)的應(yīng)變?cè)鲩L較快,說明受壓區(qū)進(jìn)入塑性階段.

2.4 平截面假定的驗(yàn)證

試件的跨中截面應(yīng)變分布,如圖5所示.從圖5中可以看出,在彈性階段,加固梁和未加固梁的應(yīng)變沿高度(h)方向的分布基本符合平截面假定.因此,在計(jì)算和分析時(shí)可以把平截面假定作為一個(gè)基本假定.在塑性階段,中性軸的位置隨著荷載的增大下移,這是因?yàn)槟静牡目箟呵O限較抗拉屈服極限低很多(文中木材抗拉屈服強(qiáng)度是抗壓屈服強(qiáng)度的2倍).隨著荷載的增大,受壓區(qū)的木纖維首先進(jìn)入塑性狀態(tài);而由于截面上的總應(yīng)力為0(N=0),隨著荷載的增加,玄武巖纖維布的貢獻(xiàn)也越來越大,截面拉應(yīng)力總和也在增大,為達(dá)到新的平衡,中性軸下移.

圖4 試件的荷載-應(yīng)變曲線Fig.4 Load-strain curve of specimens

圖5 試件的跨中截面應(yīng)變分布Fig.5 Cross section strain distribution of specimens

3 結(jié)論

通過6根木梁(其中3根為對(duì)比梁,3根為加固梁)的破壞試驗(yàn),得到如下一些4點(diǎn)結(jié)論.

(1)梁底粘貼一層玄武巖纖維布能有效地提高木梁的極限承載能力,在文中平均提高幅度大約在28%左右.

(2)由荷載-撓度曲線的斜率可以看出,粘貼玄武巖纖維布能提高木梁的剛度.通過對(duì)曲線彈性區(qū)的擬合,由曲線斜率可計(jì)算出剛度提高幅度大約在34%左右,效果比較明顯;同時(shí),木梁的延性也有很大提高.

(3)加固梁和未加固梁的應(yīng)變沿高度方向的分布基本符合平截面假定,因此在計(jì)算和分析時(shí),可以把平截面假定作為一個(gè)基本假定.

(4)梁底粘貼玄武巖纖維布同樣能起到很好的抗彎加固的效果,且較梁底粘貼碳纖維布經(jīng)濟(jì)實(shí)惠.

[1] 蔣湘閩,胡平.碳纖維布加固木梁抗彎性能的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2005,35(8):35-39.

[2] 許清風(fēng),朱雷.FRP加固木結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展[J].工業(yè)建筑,2007,37(9):104-108.

[3] 張大照.CFRP加固修復(fù)木柱梁性能研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),1998.

[4] 王增春,何艷麗,王溥,等.FRP加固木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和研究[J].建筑技術(shù)開發(fā),2004,31(3):13-14.

[5] 謝啟芳,趙鴻鐵.碳纖維布加固木梁抗彎性能的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2007,37(7):104-107.

[6] 吳照華.碳纖維布加固古建筑木梁的性能研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2007.

[7] 馬建勛,蔣湘閩,胡平,等.碳纖維布加固木梁抗彎性能的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,2005,35(8):35-39.

[8] 周鐘宏.碳纖維布加固木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能研究[D].南京:南京工業(yè)大學(xué),2005.

Experimental Investigation on Bending Behavior of Timber Beams Strengthened with BFRP Sheets

L IFei1,WANG Quan-feng1, CHEN Hao-jun2,HUANG Yi-hui1
(1.College of Civil Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China; 2.Association of A rchitecture and Civil Engineering of Huaqiao University,Macao 999078,China)

Acco rding to the static Experiments of 6 rectangular timber beam s strengthened w ith basalt fiber reinfo rced polymer(BFRP)sheets,the bending Behavio r is investigated,including the failure characteristic,strain on section and ultimate load carrying capacity.The experimental result indicates that BFRP strengthening increases efficiently the load carrying capacity,ductility and rigidity of timber beam.A large discretenessof result exists due to knag.

timber beam;basalt fiber reinfo rced sheet;strengthening;bending behavior;ultimate load carrying capacity

TU 366.202

A

(責(zé)任編輯:錢筠 英文審校:方德平)

1000-5013(2010)06-0688-04

2009-11-19

王全鳳(1945-),男,教授,主要從事工程結(jié)構(gòu)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)抗震及加固的研究.E-mail:qfwang@hqu. edu.cn.

澳門特別行政區(qū)科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金資助項(xiàng)目(524/263/SAF/2008);福建省泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2006G7)