CFRP布加固圓形木梁抗彎性能的試驗(yàn)

歐陽(yáng)煜， 李 游

(上海大學(xué)土木工程系，上海200072)

CFRP布加固圓形木梁抗彎性能的試驗(yàn)

歐陽(yáng)煜， 李 游

(上海大學(xué)土木工程系，上海200072)

對(duì)在實(shí)際工程中已經(jīng)受損的木梁加固后的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究．通過對(duì)8根圓形木梁進(jìn)行靜力試驗(yàn)，研究碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)布加固受損木梁的抗彎性能，包括破壞特性、極限荷載、剛度、截面應(yīng)變等結(jié)構(gòu)性能．試驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP布加固受損木梁具有良好的效果，能夠有效提高木梁的承載力和剛度．研究結(jié)論對(duì)碳纖維工程加固的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值．

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料布;加固;圓形木梁;抗彎性能;破損

Abstract:In practice，most wood beams to be repaired have already been damaged or degraded．It is necessary to study the structural performances of damaged wood beams reinforced by carbon fiber reinforced polymer(CFRP)sheets．Based on static tests of 8 damaged circular timber beams strengthened with CFRP sheets，bending behaviors are studied，including failure characteristics，ultimate bearing capacity，rigidity，and strain of timber section．The results show that CFRP sheets have a good strengthening effect for timber beams．The loading capacity of a timber beam reinforced by CFRP is effectively enhanced．The results are useful to practical design．

Key words:carbon fiber reinforced polymer(CFRP)sheet;strengthen;circular timber beam;bending behavior;damage

木結(jié)構(gòu)是中國(guó)傳統(tǒng)建筑的主要結(jié)構(gòu)形式，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)角度分析，這些構(gòu)件都屬于受彎構(gòu)件．由于木材自身的材性缺陷(木結(jié)、裂紋等)和周圍環(huán)境的影響(雨水、蟲害等)，加之年久失修，導(dǎo)致這些構(gòu)件的承載力降低，甚至出現(xiàn)彎曲劈裂、底部折斷及糟朽折斷等現(xiàn)象［1］，因此，急需對(duì)這些古建筑進(jìn)行維修加固．傳統(tǒng)的維修加固方法往往會(huì)破壞古建筑原貌或帶來銹蝕等問題，而纖維增強(qiáng)塑料(fiber reinforced plastic，F(xiàn)RP)中的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)布因其幾何可塑性強(qiáng)、易剪裁成形、強(qiáng)度高、重量輕和易于施工等優(yōu)點(diǎn)，已成為一種適用于古建筑木結(jié)構(gòu)維修的加固材料．

從20世紀(jì)90年代起，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者開始研究用FRP加固的木構(gòu)件的力學(xué)性能．Triantafillou［2］對(duì)粘貼U形FRP布箍的木梁進(jìn)行了短期抗彎性能試驗(yàn)研究．Plevris等［3-4］對(duì)CFRP增強(qiáng)木梁的恒溫恒濕恒載進(jìn)行了試驗(yàn)研究．Johns等［5］進(jìn)行了木梁腐朽端部替換的試驗(yàn)研究，通過更換木梁腐朽端部，在新更換木塊的受拉和受壓邊緣鉆孔預(yù)埋鋼筋．Micelli等［6］進(jìn)行了3根膠合木梁內(nèi)嵌CFRP筋進(jìn)行跨中連接的試驗(yàn)研究．在國(guó)內(nèi)，馬建勛等［7］對(duì)粘貼不同數(shù)量CFRP布的4根木梁進(jìn)行了抗彎性能試驗(yàn)研究．祝金標(biāo)等［8］對(duì)用CFRP布加固后破損木梁的破壞特征以及對(duì)梁的極限承載力、剛度等的影響進(jìn)行了研究與分析．許清風(fēng)等［9］進(jìn)行了用10根內(nèi)嵌CFRP筋維修加固舊木梁的試驗(yàn)研究．王全鳳等［10］進(jìn)行了用玻璃纖維(glass FRP，GFRP)布加固木梁抗彎性能的研究．

對(duì)木結(jié)構(gòu)梁加固的研究一般都是關(guān)于矩形截面木梁的，對(duì)于圓形截面木梁的研究報(bào)道甚少．而古代木結(jié)構(gòu)建筑中圓形截面梁是非常常見的，其加固后的效果以及加固后的力學(xué)性能是否有很大的改變;其加固的方式相比于矩形截面有何不同，這些都需要進(jìn)行深入研究．本試驗(yàn)通過人為模擬破損木梁而后再用CFRP布加固的方式，來研究CFRP布對(duì)受損圓形木梁的加固效果，并對(duì)CFRP布加固后圓形木梁的抗彎性能進(jìn)行了研究和分析．

1 試驗(yàn)

1．1 試件的設(shè)計(jì)與制作

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了8根圓形木梁，其中2根為對(duì)比梁，6根為加固梁．試件共分為兩組，一組用于研究有模擬裂縫的梁的加固效果，裂縫長(zhǎng)300 mm，距梁頂部25 mm，裂縫均用封口膠封堵;另一組用于研究有模擬破損的梁的加固效果，通過先在木梁受拉側(cè)挖去一定截面高度的木材，然后用強(qiáng)力粘結(jié)劑在缺口中填補(bǔ)上相同材質(zhì)木塊，以模擬木梁的截面抗彎性能受損情況．試驗(yàn)梁的具體加固方案如表1所示，試件尺寸及特征如圖1所示(圖中數(shù)據(jù)單位為mm)．

1．2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為俄羅斯樟子松，按《木材物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》實(shí)測(cè)的木材主要性能指標(biāo)及加固材料性能指標(biāo)如表2所示．

1．3 加載方案及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)在WDW-100A型微機(jī)液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用DH3815-2靜態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集．試驗(yàn)采用連續(xù)均勻加載方式，加載速度為1．0 mm/min．在梁跨中兩側(cè)及上下底面布置電阻應(yīng)變片，在支座及跨中布置百分表，試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容為梁跨中位移、支座沉降、跨中截面木纖維的應(yīng)變，以及觀察和記錄木梁的破壞情況．試驗(yàn)加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示．

表1 試驗(yàn)加固方案Table 1 Strengthening scheme of test beams

表2 CFRP布、粘結(jié)膠和木材力學(xué)性能表Table 2 Mechanics performance of CFRP sheet，glue and wood

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2．1 主要試驗(yàn)結(jié)果

試件A在加載時(shí)，底部純彎段最先出現(xiàn)撕裂，裂縫位置從木結(jié)處開始沿縱向發(fā)展;隨后純彎段與彎剪段交界處出現(xiàn)裂縫，也是從木結(jié)處開始并迅速沿縱向發(fā)展，最后試件呈鋸齒狀撕裂破壞(見圖3(a))．理論上，不加固的未破損木梁的破壞應(yīng)是木梁的受壓區(qū)被壓皺褶，當(dāng)具有一定塑性變形后，木梁發(fā)生受拉破壞．但由于木梁的受拉區(qū)存在木節(jié)點(diǎn)、紋理不直等材性缺陷，木梁受拉邊緣木節(jié)點(diǎn)處的木纖維很容易被拉斷．事實(shí)上，木梁在塑性變形很小甚至沒有產(chǎn)生塑性變形時(shí)就會(huì)發(fā)生脆性受拉破壞．

圖1 試件尺寸及特征(mm)Fig．1 Size and characteristics of specimens(mm)

圖2 試驗(yàn)裝置(mm)Fig．2 Test setup(mm)

在加載過程中裂縫對(duì)梁的受壓承載力產(chǎn)生影響，木梁的結(jié)構(gòu)性能受到削弱．試件B1的破壞是以純彎段受拉側(cè)木材劈裂破壞開始的，然后向彎剪段處發(fā)展，最后彎剪段處受拉一側(cè)的木材部分剝離，試件被破壞(見圖3(b))．

試件B2由于粘貼了一層CFRP布，在一定程度上減小了裂縫和節(jié)點(diǎn)等材性缺陷對(duì)木梁承載力的影響，使得木梁的承載力得到恢復(fù)和提高．表3為主要試驗(yàn)結(jié)果，由表可以看出，試件B2的承載力比試件B1提高了48%．試件B2的破壞主要有兩個(gè)方面:一個(gè)是以梁受壓側(cè)出現(xiàn)皺褶開始，最后出現(xiàn)兩道皺褶，皺褶出現(xiàn)在模擬裂縫上部，在中間的一個(gè)木節(jié)處出現(xiàn)交叉;另一個(gè)是隨著荷載的增大，受壓側(cè)加載點(diǎn)處出現(xiàn)凹陷，并伴隨有“嗶嗶”聲，最后底部純彎段部分木材與其他部分剝離并沿縱向發(fā)展，CFRP布被拉斷．

表3 主要試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Main experimental results

圖3 試件的典型破壞Fig．3 Failure mode of specimens

試件B3有兩道裂縫位于兩側(cè)，且裂縫貫通．加載后試件中部首先出現(xiàn)皺褶，皺褶的位置主要在模擬裂縫中部靠上部位，隨后試件受拉側(cè)CFRP布被拉斷(見圖3(c))，拉斷的CFRP布呈條狀．該試件在加載過程中產(chǎn)生了很大變形，當(dāng)變形到一定程度時(shí)，突然發(fā)生破壞，試件受拉側(cè)木材迅速剝裂．由表3可見，試件B3的極限承載力比試件B2提高了7．33%，說明粘貼CFRP布層數(shù)越多，加固效果越好．

對(duì)粘貼一層CFRP布的試件C1，盡管CFRP布在一定程度上約束了損傷界面，并降低了木節(jié)點(diǎn)等材性缺陷對(duì)木梁承載力和剛度的影響，使得木梁的承載力和剛度得到恢復(fù)和提高，但木梁在墊補(bǔ)木尖點(diǎn)處的應(yīng)力集中比較明顯，試件很容易發(fā)生縱向剪裂．剪裂縫的出現(xiàn)使得木梁的剛度降低，試件變形加快，最終梁的承載力也受到影響．試件C1破壞是由缺口補(bǔ)木處出現(xiàn)應(yīng)力集中，CFRP布被木塊剪斷導(dǎo)致的(見圖3(d))．

試件C2頂部?jī)蓚?cè)分別有一條縱向裂縫，加載后，試件的跨中受壓區(qū)域出現(xiàn)第一條受壓皺褶裂縫，隨后又出現(xiàn)幾條皺褶裂縫，裂縫分布均勻．隨著荷載的增大，試件的變形明顯加快，裂縫逐漸向下延伸．木材由于受壓側(cè)擠壓而發(fā)生剝離，隨后試件中部沿破損部位出現(xiàn)縱向裂縫(見圖3(e))．

由于試件C1，C2過早被破壞，因此在試件C3，C4的純彎段加了CFRP布環(huán)箍，以保證CFRP與木梁協(xié)同工作，使CFRP布充分發(fā)揮作用．試件C3以模擬破損段CFRP布包裹外側(cè)發(fā)生橫向斷裂而破壞，破壞處環(huán)向CFRP布沿其縱向撕裂．加載時(shí)，模擬破損的一端較另一端有更明顯的變形，試驗(yàn)后經(jīng)切割檢查，試件C3在該處存在明顯木節(jié)．

試件C4為粘貼2層CFRP布且環(huán)向包裹的損傷加固木梁，CFRP布有力地約束了損傷界面，使得木梁的墊補(bǔ)木界面的應(yīng)力集中不明顯，在應(yīng)力集中處不易發(fā)生縱向剪裂．同時(shí)還大大降低了木節(jié)點(diǎn)等材性缺陷對(duì)木梁強(qiáng)度的影響，木梁的承載力和剛度得到了顯著的恢復(fù)和提高．加載后，試件C4的跨中受壓區(qū)出現(xiàn)受壓皺褶裂縫，隨后2個(gè)荷載集中點(diǎn)處也出現(xiàn)受壓皺褶裂縫，試件的變形明顯加快．隨著荷載的增大，各處皺褶裂縫逐漸向下延伸，此時(shí)各測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)加快;進(jìn)一步加載時(shí)，儀器顯示的荷載值有下降趨勢(shì)，而跨中撓度繼續(xù)急劇增大，為了保護(hù)試驗(yàn)儀器，試驗(yàn)開始卸載(見圖3(f))．

本研究的兩組試驗(yàn)分別針對(duì)梁受壓側(cè)和受拉側(cè)的受損情況來進(jìn)行．根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于梁受壓側(cè)破損，雙層布和單層布的加固效果差異不大，但對(duì)于梁受拉側(cè)破損，則加固效果有很大差異．這是因?yàn)樵谑芾瓊?cè)粘貼CFRP布加固后，CFRP布直接參與木梁的受拉，而與木梁的受壓側(cè)則沒有直接的關(guān)聯(lián)，所以CFRP布對(duì)于梁受拉側(cè)破損的加固效果要好于受壓側(cè)．

2．2 平截面假定的驗(yàn)證

圖4為各梁在跨中截面沿梁高度方向的應(yīng)變分布．可以看出，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．如圖4(b)所示，當(dāng)荷載達(dá)到40 kN時(shí)，受拉區(qū)中部木材剝離，應(yīng)變偏小;如圖4(c)所示，缺口填補(bǔ)木上的應(yīng)變偏離平截面，且有所偏小，這說明試件在此部位的截面性能受損，試驗(yàn)達(dá)到了模擬梁受損的目的．因此，在考慮計(jì)算模型時(shí)可以近似采用平截面假定進(jìn)行分析．

圖4 跨中截面上的應(yīng)變分布Fig．4 Strain distribution at midspan section

圖5 荷載-應(yīng)變關(guān)系Fig．5 Load-strain relationship

2．3 荷載-應(yīng)變分析

圖5為試件跨中截面各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變隨荷載的變化．由圖5(a)可見，測(cè)點(diǎn)1處的最大壓應(yīng)變和測(cè)點(diǎn)5處的最大拉應(yīng)變都比木材的順紋拉壓極限應(yīng)變要小，說明木材的抗拉和抗壓性能都沒有得到充分的發(fā)揮;由圖5(b)可見，曲線前半段為彈性階段，后半段進(jìn)入塑性階段，梁的承載力和變形性能都得到了提高，這是因?yàn)榭v向粘貼的CFRP布使其受壓性能得到了充分應(yīng)用．從圖5(c)和圖5(d)中可以看出，試件C4的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變相比于試件C3都有了大幅度的提高，說明粘貼2層CFRP布比粘貼1層CFRP布的加固效果更好．試件C4的形態(tài)已經(jīng)非常接近于完整試件A了．

3 結(jié)論

通過對(duì)8根加固模擬受損木梁進(jìn)行受彎試驗(yàn)研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論．

(1)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．個(gè)別試件缺口填補(bǔ)木上的應(yīng)變偏離平截面，且有所偏小，在考慮計(jì)算模型時(shí)也可以近似采用平截面假定進(jìn)行分析．

(2)CFRP布避免或延緩了木梁的受拉脆性破壞，降低了木材缺陷對(duì)木梁受彎性能的影響，充分利用了木材的抗壓強(qiáng)度，其破壞模式由脆性受拉破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌浩茐模儚澏蔚腃FRP布環(huán)箍能保證CFRP與木梁協(xié)同工作，使CFRP布充分發(fā)揮作用．

(3)受損木梁加固后，其截面承載力、剛度等都有不同程度的提高，說明使用CFRP布修復(fù)和加固受損木梁的方法是有效的．對(duì)于有模擬裂縫的加固梁，粘貼1層CFRP布的極限承載力提高了48%，粘貼2層CFRP布的極限承載力提高了58．86%，且隨著貼布量的增多，承載力提高得越多．

(4)由于試驗(yàn)條件的限制，很多方面的內(nèi)容還有待于通過更多的試驗(yàn)研究進(jìn)行驗(yàn)證，比如受彎區(qū)CFRP布環(huán)箍對(duì)木梁抗彎性能的影響，以及CFRP布修復(fù)加固局部破損木梁的長(zhǎng)期性能等．

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Experimental of Bending Behavior of Circular Timber Beams Strengthened with CFRP Sheets

OUYANG Yu，LI You
(Department of Civil Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072，China)

TU 366

A

1007-2861(2012)05-0545-06

10．3969/j．issn．1007-2861．2012．05．019

2011-04-19

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2009AA023203)

歐陽(yáng)煜(1968～)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)加固．E-mail:oyy_wly@sina．com