嵌入式碳纖維板加固木梁抗彎性能的試驗(yàn)研究

淳 慶 張 洋 潘建伍

(1東南大學(xué)城市與建筑遺產(chǎn)保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

(2東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096)

(3南京航空航天大學(xué)土木工程系，南京 210016)

嵌入式碳纖維板加固木梁抗彎性能的試驗(yàn)研究

淳 慶1張 洋2潘建伍3

(1東南大學(xué)城市與建筑遺產(chǎn)保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)

(2東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096)

(3南京航空航天大學(xué)土木工程系，南京 210016)

為了研究嵌入式碳纖維板加固矩形木梁的破壞形式、抗彎承載力和截面應(yīng)變分布，對不同尺寸的12種嵌入式碳纖維板加固矩形木梁試件的抗彎性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，試件包括4根未加固梁和8根嵌入式碳纖維板加固梁，松木和杉木各占一半.試驗(yàn)結(jié)果表明，與未加固試件相比，木梁經(jīng)嵌入式碳纖維板加固后，抗彎承載力明顯提高.松木試件和杉木試件的抗彎承載力提高幅度分別為9.1%～35.1%和19.8%～37.4%.木梁截面應(yīng)變沿梁截面高度方向的分布基本符合平截面假定.最后，基于理論公式的推導(dǎo)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正，提出了嵌入式碳纖維板加固松木和杉木矩形木梁抗彎承載力的計(jì)算公式.

嵌入式碳纖維板;木梁;抗彎承載力;平截面假定

木結(jié)構(gòu)是我國和東亞其他國家歷史建筑中最 重要的結(jié)構(gòu)形式，至今我國仍留存著大量的宮殿、廟宇、民居等木結(jié)構(gòu)歷史建筑，其本身蘊(yùn)含了豐富的歷史文化內(nèi)涵，是中華文明的重要組成部分.由于自身材性缺陷和環(huán)境因素的影響，木結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行定期維護(hù)和修復(fù).傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)加固方法主要有加釘法、加鐵箍法、附加梁板法、附加斷面法等.這些加固方法容易使木結(jié)構(gòu)歷史建筑改變原貌，而且操作稍有不慎將導(dǎo)致新的構(gòu)件破壞.近年來，由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)具有高比強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性，在木結(jié)構(gòu)維修加固領(lǐng)域得到了越來越廣泛的研究和應(yīng)用［1］.這些研究大都采用外貼FRP布對木梁、柱和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固修復(fù)，可以在不損傷原構(gòu)件的前提下提高結(jié)構(gòu)的承載力和剛度，但也存在一定的缺陷，如剛度的提高幅度不夠大、不適用于清漆的木構(gòu)件等.嵌入式FRP板(筋)加固法具有一些特別的優(yōu)勢，既適用于油漆的木構(gòu)件，也適用于清漆的木構(gòu)件，并且可以大幅度提高木構(gòu)件的剛度.

國外已有學(xué)者對嵌入式FRP板(筋)加固修復(fù)木結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，主要針對的是膠合木結(jié)構(gòu).Gentile等［2］對采用GFRP筋嵌入式加固方法的22根鋸木梁進(jìn)行了短期實(shí)驗(yàn)加載研究，結(jié)果顯示，加固后的木梁破壞模式由原來的脆性拉伸破壞變成了受壓失效，受彎承載力提高了18% ～46%.Lorenzis等［3］研究了CFRP筋與膠合木之間的界面黏結(jié)性能，建立了局部黏結(jié)滑移模型，結(jié)果表明，F(xiàn)RP筋明顯改善了膠合木的延性.Micelli等［4］采用嵌入式CFRP筋修復(fù)破舊膠合木梁，研究其節(jié)點(diǎn)性能，結(jié)果表明，CFRP筋設(shè)置有效，隨著CFRP筋長度的增加，加固結(jié)構(gòu)的受荷能力逐漸增強(qiáng).

目前，國內(nèi)關(guān)于外貼FRP加固修復(fù)木結(jié)構(gòu)的研究較多［5-8］，而對嵌入式FRP板(筋)加固修復(fù)木結(jié)構(gòu)的研究則處于起步階段，僅有少數(shù)學(xué)者對此開展研究.許清風(fēng)等［9］進(jìn)行了內(nèi)嵌CFRP筋維修加固舊木梁的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，內(nèi)嵌CFRP筋加固老化舊木梁能明顯提高其受彎承載力，使其破壞模式由脆性受拉破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有允軌浩茐?王林安等［10］對應(yīng)縣木塔橫紋承壓構(gòu)件采用GFRP筋增強(qiáng)加固，短期荷載試驗(yàn)結(jié)果表明，GFRP筋增強(qiáng)橫紋承壓組合木結(jié)構(gòu)的橫紋承壓承載力能提高達(dá)4倍以上，剛度增加，延性明顯改善.

本文研究了嵌入式碳纖維板加固不同材質(zhì)矩形木梁的抗彎性能，主要包括木梁的破壞形式、抗彎承載力和截面應(yīng)變分布.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑承重用材主要選用松木和杉木，因此，本試驗(yàn)中也選用這2種木材.其中，松木樹種為花旗松(強(qiáng)度等級為TC15A)，杉木樹種為杉木(強(qiáng)度等級為TC11A).試件分為未加固梁4根(松木和杉木各2根)、嵌入式粘貼碳纖維板加固梁8根(松木和杉木各4根)，采用矩形截面簡支梁.木梁的尺寸設(shè)計(jì)為長1 700 mm，寬100 mm，高150 mm.圖1為試件示意圖.

圖1 試件示意圖(單位:mm)

試驗(yàn)選用同一批次的木材.通過材性試驗(yàn)，得到松木試驗(yàn)材料的力學(xué)參數(shù)如下:順紋抗拉強(qiáng)度為132.90 MPa，順紋抗壓強(qiáng)度為42.78 MPa，抗彎強(qiáng)度為64.31 MPa，順紋抗剪強(qiáng)度為8.70 MPa，抗彎彈性模量為12.204 5 GPa.杉木試驗(yàn)材料的力學(xué)參數(shù)如下:順紋抗拉強(qiáng)度為78.84 MPa，順紋抗壓強(qiáng)度為39.23 MPa，抗彎強(qiáng)度為71.98 MPa，順紋抗剪強(qiáng)度為4.94 MPa，抗彎彈性模量為10.263 GPa.

碳纖維板的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.6 GPa，拉伸彈性模量為180 GPa，伸長率為1.8%.采用配套結(jié)構(gòu)膠.試件設(shè)計(jì)方案見表1.

表1 試件設(shè)計(jì)方案

試驗(yàn)在南京航空航天大學(xué)土木工程實(shí)驗(yàn)室中2 000 kN梁柱壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.加載方式為兩點(diǎn)加載，由荷載分配梁來實(shí)現(xiàn).在木梁各集中受力點(diǎn)處墊上鋼板，防止木梁被橫向壓壞.采用千斤頂進(jìn)行分級加載，通過力傳感器來顯示每一級荷載.梁的受壓區(qū)被壓皺褶前，每一級荷載增值約為5.0 kN;梁被壓皺褶后，每級荷載增值約為2.0 kN.試驗(yàn)裝置如圖2所示.每加載一次，記錄梁跨中位移和梁跨中截面上木纖維的應(yīng)變，并觀察記錄木梁的破壞情況.

圖2 試驗(yàn)裝置圖

2 試驗(yàn)

對于未加固的松木試件PB0Ba，PB0Bb和杉木試件 FB0Ba，F(xiàn)B0Bb，當(dāng)荷載加至極限荷載的40% ～60%時，開始發(fā)出輕微響聲;繼續(xù)加載，出現(xiàn)連續(xù)、細(xì)微的劈裂聲，加載點(diǎn)處局部木纖維被壓潰;加載至極限荷載時，出現(xiàn)連續(xù)、較大的劈裂聲;最后，在一聲巨響下，木梁底部跨中位置木纖維拉斷，構(gòu)件脆性破壞.圖3為部分未加固試件的破壞形態(tài).

對于嵌入式碳纖維板加固的松木試件PH1Da，當(dāng)加載至極限荷載50%左右時，開始出現(xiàn)劈裂聲;繼續(xù)加載，出現(xiàn)連續(xù)的劈裂聲，木梁跨中靠近底面處出現(xiàn)裂縫;加載至極限荷載時，木梁跨中靠近底部處的木纖維被拉斷，構(gòu)件破壞.對于松木試件PH1Db，當(dāng)加載至極限荷載70%左右時，開始出現(xiàn)細(xì)微的劈裂聲;繼續(xù)加載，出現(xiàn)多次的細(xì)微劈裂聲，此時木梁跨中底部和受拉邊一些缺陷(如節(jié)疤、斜理紋)處首先出現(xiàn)開裂;加載至極限荷載時，木梁不斷出現(xiàn)劈裂響聲;隨后，木梁跨中底部和靠近底部木纖維拉斷，構(gòu)件破壞.對于松木試件PH3Da和PH3Db，當(dāng)加載至極限荷載85%左右時，開始出現(xiàn)劈裂聲;繼續(xù)加載，出現(xiàn)連續(xù)的劈裂聲，木梁跨中靠近底面處出現(xiàn)裂縫;加載至極限荷載時，木梁不斷出現(xiàn)劈裂響聲;隨后，木梁跨中底部和靠近底部的木纖維拉斷，構(gòu)件破壞.

圖3 未加固試件的破壞形態(tài)

對于嵌入式碳纖維板加固的杉木試件FH1Da，當(dāng)加載至極限荷載85%左右時，開始出現(xiàn)劈裂聲;繼續(xù)加載，出現(xiàn)連續(xù)劈裂聲，木梁跨中靠近底面處出現(xiàn)裂縫;加載至極限荷載時，突然出現(xiàn)一聲巨響，木梁截面1/2高度處沿木梁長度方向剪切破壞，構(gòu)件破壞.對于杉木試件FH1Db，當(dāng)加載至極限荷載80%左右時，開始出現(xiàn)細(xì)微的劈裂聲;繼續(xù)加載，出現(xiàn)多次細(xì)微劈裂聲，此時木梁跨中底部和受拉邊一些缺陷(如節(jié)疤、斜理紋)處首先出現(xiàn)開裂;加載至極限荷載時，木梁不斷出現(xiàn)劈裂響聲;隨后，木梁底部木纖維拉斷，構(gòu)件破壞.對于杉木試件FH3Da，當(dāng)加載至極限荷載85%時，開始出現(xiàn)劈裂聲;繼續(xù)加載，出現(xiàn)連續(xù)的劈裂聲，木梁跨中靠近底面處出現(xiàn)裂縫;加載至極限荷載時，突然出現(xiàn)一聲巨響，木梁截面1/3高度處沿木梁長度方向剪切破壞，構(gòu)件最終破壞.對于杉木試件FH3Db，在加載至極限荷載前除了有較大的變形外，并沒有較為明顯的響聲和裂縫產(chǎn)生;加載至極限荷載時，出現(xiàn)沿著端部到另一端縱貫截面1/2高度的裂縫，構(gòu)件最終破壞.

圖4為部分嵌入式碳纖維板加固木梁試件的破壞形態(tài).

圖4 嵌入式碳纖維板加固試件的破壞形態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果

下面對嵌入式碳纖維板加固木梁的極限抗彎承載力以及加固木梁在受彎時的應(yīng)變分布是否符合平截面假定進(jìn)行了分析.

3.1 極限承載力

木梁抗彎承載力的試驗(yàn)結(jié)果見表2.由表可知，木梁經(jīng)嵌入式碳纖維板加固后，其抗彎承載力有了明顯的提高，松木試件和杉木試件的提高幅度分別約為9.1%～35.1%和19.8%～37.4%.

表2 抗彎承載力的試驗(yàn)結(jié)果

3.2 平截面假定驗(yàn)證

圖5為部分未加固梁和加固梁在跨中截面沿高度方向的應(yīng)變分布.從圖中可以看出，未加固梁和加固梁的應(yīng)變沿高度方向的分布基本符合平截面假定，因此在計(jì)算分析時可以將平截面假定作為一個基本假定.

4 理論分析

對嵌入式碳纖維板加固木梁抗彎承載力的計(jì)算公式進(jìn)行了理論推導(dǎo)，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對推導(dǎo)出的公式進(jìn)行修正，進(jìn)而提出了嵌入式碳纖維板加固松木和杉木矩形木梁的抗彎承載力計(jì)算公式.

圖5 跨中截面上應(yīng)變分布

4.1 基本假定

承載力計(jì)算推導(dǎo)過程中采用的基本假定如下:①木梁受彎后，截面應(yīng)變分布符合平截面假定;②木材材質(zhì)均勻，無節(jié)疤、蟲洞、裂縫等天然缺陷;③木材在拉、壓、彎狀態(tài)下的彈性模量相同;④木材在受拉和受壓時表現(xiàn)為線彈性;⑤ 碳纖維板材料采用線彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系;⑥ 達(dá)到受彎承載力極限狀態(tài)之前，嵌入式碳纖維板與木材黏結(jié)可靠，不發(fā)生滑移，保持應(yīng)變協(xié)調(diào).

4.2 抗彎承載力計(jì)算公式

由于試件在試驗(yàn)過程中的破壞現(xiàn)象基本為木材受拉邊脆斷破壞［4］.因此，綜合考慮碳纖維材料與木材之間的黏結(jié)效應(yīng)、木材的各向異性及木梁受壓區(qū)局部塑性變形，引入修正系數(shù)α，由平截面假定、力學(xué)平衡方程和變形協(xié)調(diào)關(guān)系可得

式中，y0為受壓區(qū)截面高度;H為截面高度;b為截面寬度;s為所開木槽的寬度;h為木槽距離受壓區(qū)邊緣的高度;Ih為截面綜合慣性矩;n為碳纖維板與木材的彈性模量比值;ACFRP為碳纖維板的面積;σwtu為木材的抗彎強(qiáng)度;Mu為木梁抗彎承載力.

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到嵌入式碳纖維板加固矩形木梁的抗彎承載力計(jì)算公式如下:

松木構(gòu)件

杉木構(gòu)件

5 結(jié)論

1)與未加固試件相比，木梁經(jīng)嵌入式碳纖維板粘貼加固后，抗彎承載力有了明顯提高.松木試件和杉木試件的抗彎承載力提高幅度分別為9.1%～35.1%和19.8%～37.4%.

2)嵌入式碳纖維板加固木梁試件在受彎時，截面應(yīng)變沿梁截面高度方向的分布基本符合平截面假定.

3)建立了嵌入式碳纖維板加固松木和杉木矩形木梁的抗彎承載力計(jì)算公式.

4)在工程設(shè)計(jì)和施工時，應(yīng)避免將節(jié)疤、斜理紋等缺陷放置在木梁的受拉邊.

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Experimental study on bending behaviors of timber beams strengthened with near-surface mounted CFRP sheets

Chun Qing1Zhang Yang2Pan Jianwu3

(1Key Laboratory of Urban and Architectural Heritage Conservation of Ministry of Education，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(2School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)
(3Department of Civil Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)

In order to study the bending behaviors，including the failure mode，bending bearing capacity and strain distribution at mid-span section，of timber rectangle beams strengthened with nearsurface mounted carbon fiber reinforced polymer(CFRP)sheets，the bending tests on 12 specimens with different sizes were carried out.The specimens include 4 unstrengthened specimens and 8 specimens strengthened with near-surface mounted CFRP sheets.The number of specimens made by deal and fir is half to half.The experimental results show that compared with the unstrengthened specimens，the bending bearing capacity of the specimens strengthened with near-surface mounted CFRP sheets are obviously improved.The bending bearing capacities of the deal specimens and the fir specimens are improved by 9.1% －35.1%and 19.8% －37.4%，respectively.The distribution of section strain along the height of timber beam basically obeys the plane hypothesis.Based on the theoretical analysis and experimental results，the computing formulas of the bending bearing capacity of deal and fir rectangle beams strengthened with near-surface mounted CFRP sheets are presented.

near-surface mounted carbon fiber reinforced polymer(CFRP)sheet;timber beam;bending bearing capacity;plane hypothesis

TU 366.2

A

1001－0505(2012)06-1146-05

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.023

2012-02-03.

淳慶(1979—)，男，博士，副教授，cqnj1979@163.com.

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51138002)、國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51008059)、浙江省文物局文物保護(hù)科技資助項(xiàng)目.

淳慶，張洋，潘建伍.嵌入式碳纖維板加固木梁抗彎性能的試驗(yàn)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，42(6):1146-1150.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.06.023］