粘貼鋼板加固木梁試驗(yàn)研究

許清風(fēng) ，朱雷 ，陳建飛，李向民

(1.上海市工程結(jié)構(gòu)新技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海，200032；2.上海市建筑科學(xué)研究院(集團(tuán))有限公司，上海，200032；3.愛(ài)丁堡大學(xué) 工程學(xué)院，愛(ài)丁堡，EH9 3JL)

經(jīng)過(guò)多年使用后，木梁常因老化損傷或使用荷載增加而導(dǎo)致其承載力不足，需進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。過(guò)去，木梁常采用直接替換法進(jìn)行維修加固，但直接替換法常導(dǎo)致與替換木梁相連接木構(gòu)件的附加破壞，且工作量大、施工時(shí)間長(zhǎng)，難以廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)粘貼鋼板加固混凝土構(gòu)件的性能進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究和理論分析，詳細(xì)研究了構(gòu)件類型、粘鋼數(shù)量和位置、鋼板寬厚比等因素對(duì)粘貼鋼板加固效果的影響，并對(duì)粘貼鋼板加固鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，取得了很好的加固效果[1?12]。在研究成果和工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50367—2006)[13]已對(duì)粘貼鋼板加固法在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了粘貼FRP片材或內(nèi)嵌FRP筋材加固木梁的研究，但由于研究中還存在許多技術(shù)瓶頸需克服，所以，在工程實(shí)踐中應(yīng)用不多[14]。Bulleit等[15]進(jìn)行了鋼筋加強(qiáng)膠合木梁的試驗(yàn)研究，采用鋼筋加強(qiáng)后木梁的剛度提高24%～32%，極限承載力提高29%～30%。Alam等[16]進(jìn)行了內(nèi)嵌矩形低碳鋼筋加固老化木梁的試驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，內(nèi)嵌矩形鋼筋可有效提高木梁的剛度，顯著提高其極限承載力，但其現(xiàn)場(chǎng)施工較為繁瑣。本文作者針對(duì)木結(jié)構(gòu)或磚木結(jié)構(gòu)中木梁由于老化或使用荷載增加導(dǎo)致承載力不足的工程問(wèn)題，進(jìn)行粘貼鋼板加固木梁的試驗(yàn)研究，并根據(jù)研究結(jié)果提出相應(yīng)的結(jié)論和建議。

1 試件設(shè)計(jì)

本次試件用木梁規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)均為 100 mm×200 mm×4 000 mm。試件共8根，編號(hào)分別為CB1～CB3和B12～B16。其中CB1～CB3為未加固對(duì)比試件；B12在木梁底面支座跨內(nèi)粘貼1層3 mm厚鋼板；B13在木梁底面支座跨內(nèi)粘貼1層5 mm厚鋼板，并在木梁底面中線位置通長(zhǎng)布置f8@660膨脹螺栓錨固；B14在木梁底面支座跨內(nèi)粘貼1層3 mm厚鋼板，并在木梁底面中線位置通長(zhǎng)布置f8@660膨脹螺栓錨固；B15在木梁底面支座跨內(nèi)粘貼1層3 mm厚鋼板，并布置4個(gè)150 mm寬的碳纖維布U形箍；B16在木梁底面支座跨內(nèi)粘貼2層3 mm厚鋼板，在木梁底面中線位置通長(zhǎng)布置f8@660膨脹螺栓，并布置4個(gè)150 mm寬的碳纖維布U形箍。所有鋼板的寬度均與木梁等寬，為 100 mm。試件加固前對(duì)木梁底面進(jìn)行表面處理，首先將底面刨平，然后用丙酮進(jìn)行表面清潔處理，有裂縫處進(jìn)行填縫處理。鋼板加固前加固面用砂輪機(jī)進(jìn)行打磨表面處理，去除銹斑等表面缺陷；并用丙酮進(jìn)行表面清潔，去除油漬等影響?zhàn)そY(jié)性能的不利因素。

所有試件特征及尺寸見(jiàn)圖1所示。

圖1 試件尺寸及特征(單位：mm)Fig.1 Geometry and strengthening details of test specimens

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選用花旗松，材性試驗(yàn)測(cè)得其靜曲強(qiáng)度為 59.2 MPa，彈性模量為 6 620 MPa，密度為 430 kg/m3，含水率為15.2%。

本次試驗(yàn)選用吳江八都得力建筑結(jié)構(gòu)膠廠生產(chǎn)的DL-JGN型粘鋼膠，材性試驗(yàn)測(cè)得其膠體抗拉強(qiáng)度為30.3 MPa，受拉彈性模量為3 600 MPa，彎曲強(qiáng)度為64.3 MPa，抗壓強(qiáng)度為84.3 MPa，鋼?鋼抗拉強(qiáng)度為33.4 MPa，鋼?鋼抗剪強(qiáng)度為 15.6 MPa，伸長(zhǎng)率為1.32%。

本次試驗(yàn)用鋼板選用 Q235鋼。為測(cè)試鋼板的抗拉強(qiáng)度，共制作6根20 mm寬3 mm厚鋼板抗拉試件。實(shí)測(cè)鋼板平均屈服強(qiáng)度為 340.3 MPa，變異系數(shù)為1.9%；平均極限強(qiáng)度為458.8 MPa，變異系數(shù)為3.0%；平均彈性模量為200 757 MPa，變異系數(shù)為2.8%。

2.2 位移計(jì)和應(yīng)變片布置

為了解受力過(guò)程中加固木梁的變形情況，在試件跨中和支座布置位移計(jì)；為了解跨中截面、鋼板等的變形情況，在相應(yīng)位置布置應(yīng)變片。位移計(jì)和應(yīng)變片讀數(shù)采用DH3817動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。典型試件位移計(jì)和應(yīng)變片布置見(jiàn)圖2所示。

2.3 加載制度

試件采用液壓千斤頂三分點(diǎn)加載，荷載通過(guò)分配梁傳遞，試驗(yàn)加載裝置見(jiàn)圖3所示。為防止試件出平面破壞，在試件端部采用U形鋼框固定；為消除系統(tǒng)誤差，正式試驗(yàn)前先對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載。正式加載采用勻速單調(diào)加載，每個(gè)試件加載時(shí)間為10～20 min。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

對(duì)比試件CB1在荷載增加至26 kN時(shí)發(fā)出明顯聲響；當(dāng)荷載增加至42.1 kN時(shí)，伴隨巨大聲響，試件從純彎區(qū)段外受拉邊緣向純彎區(qū)段內(nèi)形成撕裂裂縫破壞。對(duì)比試件CB2在荷載增加至23.9 N時(shí)，伴隨巨大聲響，試件從純彎區(qū)段受拉邊緣的木節(jié)邊緣形成斷裂裂縫，并向上延伸導(dǎo)致木梁脆性破壞。對(duì)比試件CB3在荷載增加至24 kN時(shí)發(fā)出明顯聲響；當(dāng)荷載增加至25.0 kN時(shí)，伴隨巨大聲響，試件在左側(cè)加載點(diǎn)有連續(xù)木節(jié)處斷裂破壞。

加固木梁B12在荷載增加至35 kN時(shí)，跨中出現(xiàn)撕裂裂縫；隨著荷載增加，裂縫大幅增寬，跨中鋼板與粘鋼膠剝離；當(dāng)荷載增加至37.9 kN時(shí)，試件破壞。試件破壞后，鋼板仍使木梁保持整體受力，仍能承受30 kN的荷載；跨中鋼板剝離約740 mm，但端部無(wú)剝離。

圖2 試件位移計(jì)和應(yīng)變片布置(單位：mm)Fig.2 Layout of LVDTs and strain gauges

圖3 試驗(yàn)裝置(單位：mm)Fig.3 Test setup

加固木梁B13在荷載增加至56 kN時(shí)，試件中部出現(xiàn)一條水平裂縫；隨著荷載繼續(xù)增加，該水平裂縫寬度增加，并沿水平向延伸；當(dāng)荷載增加至 73.0 kN時(shí)，伴隨連續(xù)聲響，試件跨中撓度急速增大，試件破壞。試件破壞主要集中在最中間2個(gè)螺栓之間，鋼板局部剝離，木梁受壓邊緣壓壞；其余位置鋼板無(wú)剝離，螺栓均未剪壞。

加固木梁B14在荷載增加過(guò)程中，首先在純彎區(qū)段中下部出現(xiàn)裂縫，并快速發(fā)展；當(dāng)荷載增加至49.6 kN時(shí)，伴隨巨大聲響，鋼板在中間螺栓處頸縮、拉斷，試件斷為兩截。

加固木梁B15在荷載增加至31 kN時(shí)，發(fā)出明顯聲響；當(dāng)荷載增加至33.0 kN時(shí)，試件在跨中受拉邊緣木節(jié)處破壞，破壞處木梁與鋼板局部剝離。

加固木梁B16在荷載增加至38 kN時(shí)，試件發(fā)出明顯聲響；當(dāng)荷載增加至48.2 kN時(shí)，伴隨巨大聲響，木梁在北側(cè)加載點(diǎn)處受壓區(qū)壓壞，受拉邊緣有木節(jié)處局部拉壞，試件跨中位移急劇增大。試件破壞后仍可承受31 kN的荷載，且卸載后大部分位移可恢復(fù)。

試件破壞特征見(jiàn)圖4所示。

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圖4 試件破壞特征Fig.4 Failure modes of reference and strengthened beams

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

主要試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 主要試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test ultimate load and deflection

3.3 荷載?位移曲線

試件的荷載?跨中位移曲線對(duì)比見(jiàn)圖5。取各試件0～0.4Pu時(shí)的割線剛度為試件初始彎曲剛度，各試件彎曲剛度對(duì)比如圖6所示。

圖5 試件荷載?跨中位移曲線Fig.5 Load versus mid-span deflection curves of specimens

圖6 試件初始彎曲剛度Fig.6 Comparison of initial flexural stiffness of specimens

由表1和圖5～6可知：(1)粘貼鋼板加固木梁的極限承載力有明顯提高，提高幅度為9%～141%，平均提高 60%；極限位移亦明顯提高，提高幅度為16%～139%，平均提高61%。(2)采用螺栓錨固鋼板的加固試件B13，B14和B16的極限承載力提高幅度更大，平均提高88%；而無(wú)錨固或僅采用U形箍錨固的試件 B12和 B15極限承載力提高較少，僅平均提高17%。(3)粘貼鋼板加固木梁試件的初始彎曲剛度均較對(duì)比試件有較大提高，提高幅度為32%～158%，平均提高73%。其中粘貼5 mm厚鋼板的加固試件B13提高最多，達(dá)158%；粘貼2層3 mm厚鋼板的加固試件B16初始彎曲剛度提高68%；粘貼1層3 mm厚鋼板的加固試件B12，B14和B15平均提高47%。(4)試件破壞形態(tài)和試驗(yàn)結(jié)果均表明，采用螺栓對(duì)粘貼鋼板進(jìn)行錨固是提高加固效果的重要措施。

3.4 應(yīng)變分析

3.4.1 跨中截面沿截面高度應(yīng)變的變化

對(duì)比試件和加固試件跨中截面沿截面高度的應(yīng)變變化見(jiàn)圖7。由圖7可知：對(duì)比試件和粘貼鋼板加固試件的跨中截面應(yīng)變隨荷載增加仍基本符合平截面假定，在加載后期由于鋼板局部屈服或剝離其變形逐漸變得不規(guī)則。

3.4.2 跨中邊緣應(yīng)變的變化

對(duì)比試件和加固試件跨中受拉邊緣和受壓邊緣的應(yīng)變對(duì)比如圖8所示。其中，1號(hào)應(yīng)變片位于跨中受壓邊緣中心，5號(hào)應(yīng)變片位于跨中受拉邊緣中心。由圖8可知：與對(duì)比試件相比，在受拉邊緣粘貼鋼板后加固試件的彎曲剛度得到明顯提高，其中粘貼 5 mm厚鋼板和粘貼2層3 mm厚鋼板的B13和B16提高最為明顯；在相同荷載作用下，加固試件受拉邊緣拉應(yīng)變和受壓邊緣壓應(yīng)變均明顯小于對(duì)比試件。

加固試件B16鋼板沿梁軸向應(yīng)變的變化如圖9所示。由圖9可知：鋼板沿梁軸向應(yīng)變基本左右對(duì)稱，在兩端應(yīng)變較小，在純彎區(qū)段達(dá)到最大值且較為平均；應(yīng)變隨著荷載的增加而增加。

圖7 試件跨中截面沿截面高度應(yīng)變的變化Fig.7 Strain profile at mid-span cross-section of specimens

3.4.4 U形箍應(yīng)變的變化

在加固試件B15 4個(gè)碳纖維布U形箍各2個(gè)側(cè)面中心分別布置豎向應(yīng)變片，其中，邊緣2個(gè)U形箍豎向應(yīng)變片編號(hào)為27，28，33，34，中間2個(gè)U形箍豎向應(yīng)變片編號(hào)為29～32。其應(yīng)變變化如圖10所示。由圖10可知：加固試件B15的U形箍側(cè)面中心的拉應(yīng)變較小，且部分為壓應(yīng)變，說(shuō)明U形箍對(duì)鋼板的有效約束作用有限。

圖8 試件跨中邊緣應(yīng)變的對(duì)比Fig.8 Load versus face strain at mid-span

圖9 B16鋼板沿梁軸向應(yīng)變的變化Fig.9 Steel plate strain distribution along the beam length

圖10 B15碳纖維布U形箍側(cè)面中心應(yīng)變的變化Fig.10 Load versus strain in CFRP U-stirrup of B15

4 結(jié)論

(1)對(duì)比試件多發(fā)生源于受拉區(qū)缺陷的脆性破壞；粘貼鋼板加固后，加固木梁的延性性能得到顯著提高，除B14外加固試件破壞后仍保持整體。B15和B16均發(fā)生源于受拉邊緣木節(jié)的破壞，其加固效果受到一定的限制。

(2)粘貼鋼板加固木梁的極限承載力有明顯提高，提高幅度為 9%～141%，平均提高 60%；極限位移亦明顯提高，提高幅度為 16%～139%，平均提高61%。

(3)采用螺栓錨固的粘貼鋼板加固木梁的極限承載力提高幅度更大，平均提高88%；而無(wú)錨固或僅采用U形箍錨固的粘貼鋼板加固木梁的極限承載力提高較少，僅平均提高17%。采用螺栓對(duì)粘貼鋼板進(jìn)行錨固是提高加固效果的重要措施。

(4)粘貼鋼板加固木梁試件的初始彎曲剛度較對(duì)比試件亦有明顯提高，提高幅度為32%～158%，平均提高73%。

(5)粘貼鋼板加固木梁跨中截面應(yīng)變隨荷載增加仍基本符合平截面假定；在相同荷載作用下，加固木梁受拉邊緣鋼板拉應(yīng)變和受壓邊緣壓應(yīng)變均明顯小于對(duì)比試件。

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