玻璃纖維布加固木柱抗壓性能試驗(yàn)

鄭涌林，王全鳳，黃奕輝

（華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

玻璃纖維布加固木柱抗壓性能試驗(yàn)

鄭涌林，王全鳳，黃奕輝

（華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 廈門 361021）

通過對12根圓形截面木柱的軸心抗壓試驗(yàn)，研究木柱的抗壓極限承載力、破壞形態(tài)和荷載關(guān)系，并分析玻璃纖維布（GFRP）加固設(shè)置形式、用量對提高木柱的軸心抗壓承載力的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)置橫向加固可以約束柱身的縱向開裂，同時進(jìn)行縱向加固設(shè)置可以約束木柱的偏壓失穩(wěn)；在不同方式的GFRP粘貼加固下，木柱的抗壓極限承載力得到了明顯的提高，提高幅度介于21%～83%之間；采用GFRP包裹加固，能有效約束木柱的橫向變形，顯著提高木柱的延性.

玻璃纖維布；木柱；加固；軸心受壓；承載力

木結(jié)構(gòu)在房屋建筑、橋梁等方面都有廣泛的應(yīng)用.我國木結(jié)構(gòu)建筑歷史悠久，許多古代大型木結(jié)構(gòu)已歷經(jīng)百年甚至千年，被視為華夏文明的重要組成部分［1］.隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展和社會經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)，人們越來越重視木結(jié)構(gòu)建筑的保護(hù)和研究［2］.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）具有自重輕、強(qiáng)度高、耐酸性、易操作、抗腐蝕、施工條件寬等優(yōu)點(diǎn)，木結(jié)構(gòu)的極限承載力、構(gòu)件變形及構(gòu)件材料的耐久性能等指標(biāo)在FRP的包裹加固下得到極大的提高［3－5］.從木材、纖維材料的特點(diǎn)和性價比等因素綜合考慮，玻璃纖維布（GFRP）用于加固木柱更有優(yōu)越性 .基于此，本文主要研究GFRP加固木柱的軸心抗壓性能.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

試驗(yàn)共選用12根木柱進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)，其中3根未進(jìn)行加固的原木試件作對比件，9種玻璃纖維加固形式為加固試件.試件截面為圓形，尺寸（D×H）為100mm×1 000mm.玻璃纖維布分為縱向粘貼和橫向粘貼兩種方式，均為全長粘貼，玻璃纖維的搭接長度為50mm.對試件作如下編號規(guī)定：未加固的對比件編為Z組，加固試件中A，B，C，D組的GFRP橫向加固量分別為0，1，2，3層，加固試件字母后的數(shù)字為GFRP縱向加固層數(shù).

1.2 材料性能

試件木材采用福建水杉，其材性試驗(yàn)參照國家標(biāo)準(zhǔn)［6］，在福建農(nóng)林大學(xué)木材試驗(yàn)室測定 .圖1為抗拉試樣 .試件木材的主要性能指標(biāo)：順紋抗拉強(qiáng)度為81.61MPa；順紋抗壓強(qiáng)度為32.76MPa；彈性模量為9.488GPa.

玻璃纖維布（GFRP）由江蘇南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院提供，粘結(jié)樹脂選用日本產(chǎn)小西“E2500S”型雙組分環(huán)氧類粘結(jié)劑，其體積混合比為2∶1.兩種加固材料的性能，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。

圖1 抗拉試樣（單位：mm）Fig.1 Tensile specimen（unit：mm）

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及加載制度

試驗(yàn)在華僑大學(xué)土木學(xué)院力學(xué)與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中心的2MN液壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載.在試驗(yàn)機(jī)與試件底面接觸的平臺面上布置位移計(jì)，測量試件的整體壓縮變形量；在試件1／2高度位置90°角范圍內(nèi)，每隔45°各設(shè)置位移計(jì)測量試件的側(cè)向位移量；在試件1／2高度上，每隔90°位置貼縱向和橫向應(yīng)變片各一，共8片，用以量測柱中截面的軸向壓應(yīng)變和橫向拉應(yīng)變.

試件安裝好后，首先進(jìn)行幾何對中，確保荷載作用線和試驗(yàn)試件的幾何中心對齊，以保證軸壓；然后進(jìn)行預(yù)加載，根據(jù)水平方向位移計(jì)讀數(shù)，調(diào)整試件位置 .預(yù)加載15%以校正試件和其他儀表設(shè)備，待正常后卸載，隔5min后開始正式加載.加載制度為0.3～0.5kN·s－1，連續(xù)勻速加載直至試件破壞，當(dāng)荷載降至85%后卸載.采用DH3816數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.

表1 加固材料性能指標(biāo)Tab.1 Property indexes of strengthening materials

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表2為試件測試結(jié)果.表2中：Nh和Nv分別為橫向加固量和縱向加固量；Pu為極限荷載；εh，εv分別為試件達(dá)到極限荷載時的柱中截面橫向應(yīng)變值和縱向應(yīng)變值.部分試件的破壞形態(tài)，如圖2所示.

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 Failure modes of specimens

2.1 試件的破壞情況

對比試件未進(jìn)行加固，Z1在試驗(yàn)中荷載達(dá)到205kN的時候，發(fā)出較小的“霹，霹”聲；在達(dá)到極限荷載221kN時，產(chǎn)生較大“啪”的爆裂聲音，發(fā)生較突然，呈典型脆性破壞特征，破壞處有一木節(jié)，能明顯看到幾條縱向裂縫.Z組3個試件破壞后，柱身均呈彎折狀，Z1和Z3破壞處有明顯的壓褶痕跡和裂縫，呈偏壓破壞形態(tài)；Z2試件破壞處出現(xiàn)與水平面約成45°的剪切面錯動，呈剪壓破壞形態(tài).

A2試件在荷載加到180kN時發(fā)出劈裂聲音，達(dá)到207kN時，木柱中部位置突然開裂破壞，發(fā)出“咆～”的爆裂聲響，呈縱向開裂破壞；破壞位置處有多條裂縫，加固纖維層向外鼓出，呈典型受壓破壞形態(tài).如果設(shè)置橫向加固，該破壞狀態(tài)應(yīng)該能得到有效的約束，從而提高承載力.B1試件在加載的前階段，荷載和應(yīng)變呈線性增長；當(dāng)荷載加到228kN時，達(dá)到極限承載力之前出現(xiàn)塑性變形，同時出現(xiàn)間斷的木材擠壓破裂聲，最終試件在荷載為250kN時，柱身中部產(chǎn)生彎折破壞；受壓側(cè)的加固纖維層被壓壞并有褶皺出現(xiàn)，受拉側(cè)加固纖維層無明顯變化，呈偏壓破壞形態(tài).C1試件在荷載增加到280kN時，發(fā)出“嗶～吱～”交互的聲音，荷載大約為330kN時，明顯聽到木柱不斷被壓壞的破裂聲；極限荷載達(dá)到340kN時，柱身因局部受壓而彎折破壞，呈偏壓破壞形態(tài).D1試件在加載過程中無明顯聲響，達(dá)到極限荷載368kN時，發(fā)出比較沉悶的“砰”響聲，試件端部潰縮破壞，該位置的加固纖維層也被撐爆開裂.

2.2 抗壓承載力分析

試驗(yàn)結(jié)果表明：Z，A，B，C，D各組試件的平均抗壓承載力分別為201，192，244，291，368kN；B，C，D各組試件分別提高21.39%，44.94%，83.08%.當(dāng)縱向加固同為1層時，試件抗壓極限承載力大小為D1＞C1＞B1＞A1；當(dāng)縱向加固同為2層時，試件抗壓極限承載力大小為C2＞B2＞A2.根據(jù)以上分析比較，在GFRP縱向加固量相同的情況下，試件的抗壓極限承載力隨著橫向加固層數(shù)的增加而提高；A組試件承載力低于未加固的對比件，應(yīng)該是由于該組試件未設(shè)置橫向加固及木材的離散性引起的；B組和C組試件中，橫向加固量相同，設(shè)置縱向加固的試件抗壓承載力均高于未設(shè)置縱向加固的試件.

2.3 荷載-應(yīng)變關(guān)系分析

圖3為各組試件的荷載－應(yīng)變關(guān)系曲線.從圖3（a）可知：Z組試件在軸心受壓狀態(tài)下的荷載與應(yīng)變基本成線性關(guān)系，并無明顯的塑性階段，與試驗(yàn)中的突然脆性破壞現(xiàn)象相一致.

圖3 各組試件的荷載－應(yīng)變曲線Fig.3 Load－strain curve

從圖3（b）可知：A組試件的荷載與應(yīng)變關(guān)系曲線和Z組試件相似，無明顯的塑性階段 .說明了該組兩個試件的FRP加固效果收效甚微，這與其承載力與未加固對比件相比無提高的結(jié)果對應(yīng).

從圖3（c）可知：B1和B2試件的曲線有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并具有明顯的塑性流幅，尤其是縱向應(yīng)變曲線更為突出；B0試件的極限承載力較低，為176kN，試件經(jīng)歷較小的應(yīng)變后就發(fā)生破壞，說明該試件的GFRP加固設(shè)置未充分發(fā)揮作用.

從圖3（d）可知：C組3個試件的應(yīng)變曲線明顯分為兩個部分，第1部分荷載和應(yīng)變類似未加固試件的曲線，基本呈線性變化，然后出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn).進(jìn)入第2部分，曲線趨于平緩；在荷載增幅較小的情況下，應(yīng)變增幅變大.

從圖3（e）可知：曲線表現(xiàn)出試件的塑性變形，但該階段的荷載仍呈較大的上升趨勢.曲線未趨于平緩即發(fā)生破壞，其原因是該試件的破壞位置出現(xiàn)在端部，而采集應(yīng)變的柱中位置變形尚未充分發(fā)展.

通過分析可知：大多數(shù)的加固試件曲線發(fā)展可分為兩個階段，第1個階段呈線性關(guān)系發(fā)展，第2個階段大約從90%極限荷載位置開始斜率下降，趨于平緩.說明GFRP對木柱的約束起作用，產(chǎn)生塑性變形，試件的變形歷程相應(yīng)變長，因此應(yīng)變曲線和應(yīng)變軸的包圍面積變大，證明了GFRP布加固木柱的變形能力提高了.即GFRP布對核心木柱的有效約束作用，也與極限承載力提高的試驗(yàn)結(jié)果相一致.

3 結(jié)論

1）由于木材為天然材料，材質(zhì)變異性較大，有缺陷處往往先發(fā)生局部壓潰破壞，因薄弱位置的不確定性，GFRP的加固應(yīng)該沿柱身全長包裹.

2）GFRP加固木柱設(shè)置橫向加固可以約束柱身的縱向開裂，同時進(jìn)行縱向加固設(shè)置可以約束木柱的偏壓失穩(wěn).

3）不同方式的GFRP粘貼加固下，木柱的抗壓極限承載力得到了明顯的提高，提高幅度在21%～83%之間，GFRP的粘貼方式和加固量是抗壓承載力提高幅度的主要影響因素.

4）未加固木柱在軸心受壓狀態(tài)下的荷載與應(yīng)變大致成線性關(guān)系，破壞表現(xiàn)為脆性；而采用GFRP包裹加固，能有效約束木柱的橫向變形，顯著提高木柱的延性.

［1］周海賓，費(fèi)本華，任海青.中國木結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展歷程［J］.山西建筑，2005，31（21）：10－11.

［2］陳祖建，何曉琴.淺談中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的保護(hù)［J］.福建建筑，2001（3）：21－23.

［3］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.

［4］王鯤.碳纖維增強(qiáng)材料（CFRP）加固古建筑木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2007.

［5］李飛，王全鳳，陳浩軍，等.BFRP加固木梁抗彎性能的初始試驗(yàn)［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，31（6）：688－691.

［6］國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB 1927－1991木材物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1991.

Experimental Study on Axial Compressive Behaviors of Timber Column Strengthened with GFRP

ZHENG Yong－lin，WANG Quan－feng，HUANG Yi－h(huán)ui

（College of Civil Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China）

Based on the axial compressive experiments of 12circular timber columns，the bearing capacity，failure mode and load－strain relationship were study.The influence of glass fiber reinforced polymer（GFRP）strengthening modes and quantity on the bearing capacity was investigated.The experimental result indicates that transverse strengthening can confine the vertical split in timber columns，and longitudinal strengthening can confine the eccentric compression instability；in different ways of strengthening with GFRP，the ultimate bearing capacity of the timber columns are evidently enhanced by 21%～83%；GFRP wrap can evidently confine transverse deformation in timber columns，improve its ductility.

glass fiber reinforced polymer；timber column；strengthening；axial compression；bearing capacity

TU 366.102

A

1000－5013（2012）03－0321－04

2011－09－26

鄭涌林（1978－），男，實(shí)驗(yàn)師，主要從事土木結(jié)構(gòu)工程的研究.E－mail：zhyl＠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（036／2007／A）；福建省泉州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2006G7）；華僑大學(xué)科研基金資助項(xiàng)目（10HZR18）

（責(zé)任編輯：陳志賢 英文審校：方德平）