GFRP加固泡桐木短柱抗壓性能研究

甘結(jié)良，黃 升，孫意斌，趙友毅，張 忠

（南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211800）

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber-reinforced polymer或 fiber-reinforced plastics，簡稱 FRP)是纖維材料與基體材料等多種組分的材料通過一定工藝按照一定比例混合制作而成的具有多種形狀和規(guī)格的一種新型的高性能復(fù)合材料。FRP的材料性能隨著組分的不同會有很大的差異，目前常應(yīng)用在結(jié)構(gòu)工程中的 FRP材料主要有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料GFRP和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)。

GFRP材料有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）高強(qiáng)輕質(zhì)。GFRP材料的比重在 1.5～2.0之間，相當(dāng)于普通碳鋼的1/5到1/4，而其強(qiáng)度卻能達(dá)到或超過普通碳鋼的水平。柱體結(jié)構(gòu)中采用 GFRP材料約束可以極大地降低其自重，同時極大地提高極限承載力；（2）抗疲勞性能好，耐腐蝕性能高。GFRP材料良好的抗疲勞性能可以有效確保受其約束柱體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能的發(fā)揮，而它的耐腐蝕性可以有效提高材料在惡劣環(huán)境中的力學(xué)性能；（3）具有良好的可設(shè)計性。FRP產(chǎn)品生產(chǎn)成型方便，可以靈活設(shè)計其形狀，通過設(shè)計時采用不同的纖維，纖維含量和鋪陳方向可以制作出各種強(qiáng)度指標(biāo)，彈性模量以及具有特殊性能要求的FRP產(chǎn)品。

美國Oklahoma州大學(xué)Emerson對FRP加固木柱的抗壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明采用FRP環(huán)向纏繞加固木柱可提高抗壓極限承載力達(dá)17%左右[1]。西安交通大學(xué)的馬建勛試驗(yàn)研究了不同加固方式對木柱抗壓性能的影響，并得到采用FRP包裹加固后木柱順紋的極限承載力可提高18%～33%左右[2]。南京工業(yè)大學(xué)邵勁松試驗(yàn)研究了FRP環(huán)向加固木柱可提高木柱的抗壓承載力，其中軸向抗壓強(qiáng)度提高達(dá)10%～25%[3]。黃山學(xué)院曹海用FPR加固木柱，其承載力可提高8.5%～23.2%[4]。

基于國內(nèi)外在FRP加固柱體結(jié)構(gòu)方面的研究現(xiàn)狀，以及對FRP材料的逐漸深入認(rèn)識，F(xiàn)RP材料的優(yōu)越性逐漸顯現(xiàn)出來，并開始被應(yīng)用到實(shí)際工程中去。本文旨在通過試驗(yàn)，探究泡桐木短柱單獨(dú)承載力、GFRP空心柱單獨(dú)承載力以及GFRP泡桐木短柱承載力三者之間的力學(xué)性能關(guān)系，從驗(yàn)證“組合效應(yīng)”的角度發(fā)現(xiàn)GFRP夾芯柱的抗壓力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分為3組，第1組為泡桐木短柱、第2組為GFRP空心柱、第3組為GFRP泡桐木短柱。材料泡桐木和GFRP材料的主要性能見表1。第1組構(gòu)件尺寸如圖1。構(gòu)件整體為一個截面為矩形、內(nèi)部空心的柱體，外圍四面均由 GFRP全包圍約束。整個構(gòu)件的面板為150 mm×400 mm，腹板為50 mm×400 mm，其中GFRP的厚度為5 mm，GFRP內(nèi)部纖維的排布方式為45°交叉編織。第2組構(gòu)件為截面尺寸為40 mm×140 mm。第3組試件是在第1組的基礎(chǔ)上，在其內(nèi)部加入與GFRP粘合的泡桐木短柱，如圖2所示。

表1 泡桐木與GFRP的力學(xué)性能

圖1 GFRP空心短柱的尺寸（單位：mm）

圖2 GFRP泡桐木短柱的截面尺寸（單位：mm）

1.2 試驗(yàn)過程

GFRP空心柱試驗(yàn)，試驗(yàn)機(jī)采用萬能試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)前期，于短柱的 1/2處貼上應(yīng)變片，共 8組，其中面板處3組分為左，中，右3個位置，每個位置處貼有 2個應(yīng)變片，豎著的應(yīng)變片用于測量縱向應(yīng)變，橫著的應(yīng)變片用于測量橫向應(yīng)變，腹板 1/2高處的 2個應(yīng)變片同理。然后把 GFRP空心短柱置于試驗(yàn)平臺上，通過校正使其軸心受力。固定后在其前后面板的 1/2高處分別設(shè)置了位移計，用于測量短柱受壓后的橫向位移，同時還設(shè)置了一個縱向的位移計用于測量短柱受壓后的縱向位移。

在實(shí)驗(yàn)初期，加載后并沒有產(chǎn)生什么反應(yīng)；隨著荷載的增加，可以從圖3（a）中隱約看見有開裂的跡象，伴隨著微弱的“咔嚓”聲，最外層的 GFRP材料開始開裂，裂痕是從短柱從上往下大約 1/3處開始的，向兩端蔓延，在對面的面板上并未出現(xiàn)裂痕。

荷載繼續(xù)增加，可以看到，如圖3（b）裂痕開始越過 1/2處界限向下蔓延，但是開裂的程度并沒有明顯增加，只是開裂范圍在擴(kuò)大。我們觀察到短柱的上，下半部分的腹板上也開始產(chǎn)生明顯的裂痕，存在于邊緣位置并向 1/2處蔓延。

當(dāng)荷載繼續(xù)增加時，如圖3（c）、（d）短柱的同腹板兩側(cè)的棱開始劇烈開裂，GFRP被扯斷，開裂的形式為分別為從兩棱距離兩端的 1/3處向上下兩端延著棱蔓延，在未完全開裂至兩端時，兩棱上的裂口呈中心對稱。與此同時，在對面的腹板并沒有發(fā)生劇烈開裂現(xiàn)象，原先加載時出現(xiàn)的裂痕沒有進(jìn)一步開裂。最后，在荷載的作用下，構(gòu)件失效，腹板兩棱完全開裂，此處腹板脫落。

圖3 GFRP空心短柱構(gòu)件件加載過程

GFRP夾芯柱試驗(yàn)過程，試驗(yàn)設(shè)置和 GFRP空心柱的一樣。隨著荷載的增加，可以看到，短柱的上部開始發(fā)生變形破壞，產(chǎn)生卷曲，并且折痕在慢慢向下蔓延，四條棱最先有開裂的跡象。短柱的頂部開裂的同時，隨著荷載的增加，見圖4（a），可以看到在短柱的腰部偏上的棱也大幅開裂破壞，面板和腹板都向外屈曲。荷載的進(jìn)一步增加，使得短柱徹底膨脹爆裂，最終失效，見圖4（b）。圖4（c）、（d）為從橫截面看短柱的破壞效果，圖4（c）中GFRP面板與泡桐木主體剝離；而圖4（d）中除了發(fā)生剝離破壞外，有一側(cè)發(fā)生的破壞跡線成拱形。

圖4 GFRP泡桐木短柱構(gòu)件件加載過程及結(jié)果

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

理論上，GFRP對木材性能的提高主要體現(xiàn)在其環(huán)向加固與接觸面的變形協(xié)調(diào)，因此我們分別對矩形截面的泡桐木短柱、GFRP空心柱和 GFRP夾芯柱進(jìn)行了抗壓性能測試，得到每一種試件的橫向和縱向應(yīng)變：在試件上所貼的 8組應(yīng)變片（每組分橫向和豎向兩個應(yīng)變片）中，選取面板中間的應(yīng)變片所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。 但由于應(yīng)變片的精度和靈敏系數(shù)問題，試驗(yàn)中會造成一定的系統(tǒng)誤差。查閱資料可知，需要用一個補(bǔ)償系數(shù)ξ修正試驗(yàn)中的輸出的應(yīng)變值。修正后得到的真實(shí)的應(yīng)變?nèi)绫?～表4所示：

表2 泡桐木短柱的軸力－應(yīng)變數(shù)據(jù)

表3 GFRP空心短柱的軸力－應(yīng)變數(shù)據(jù)

表4 GFRP泡桐木短柱的軸力－應(yīng)變數(shù)據(jù)

表中縱向應(yīng)變縱的值為負(fù)，這是因?yàn)樵嚰艿降氖禽S向壓力，其縱向?yàn)槭湛s變形。GFRP泡桐木短柱的數(shù)據(jù)量要多于單獨(dú)對每個材料測試的數(shù)據(jù)。這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過程中，若試件破壞，便停止對其加載。

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

通過軸向壓力F和試件橫截面積A，可算出試件軸向應(yīng)力σ。泡桐木短柱、GFRP空心柱、GFRP夾芯柱的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如圖5。

分別對上述3種構(gòu)件進(jìn)行分析。

（1）泡桐木短柱的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本上呈線性關(guān)系，無明顯屈服點(diǎn)。在軸向荷載達(dá)到極限時，木材發(fā)生瞬間破壞，并無明顯征兆。但在軸向壓力逐漸增大時，木材的彈性模量有略微的提升。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中我們使用的木材是泡桐木，在受到壓力前，木材內(nèi)部纖維之間存在空隙，受到軸向壓力后，木材之間的空隙被壓緊，其彈性模量略微提高。

（2）GFRP材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在初期呈線性關(guān)系，之后在軸向壓力下到達(dá)95 kN左右時，材料有不是很明顯的屈服過程。之后材料進(jìn)入強(qiáng)化階段，受壓性能進(jìn)一步提升。最后發(fā)生破壞。分析發(fā)現(xiàn)，GFRP材料和鋼材的屈服特性有一定的相似性，但又有一定的區(qū)別。GFRP材料有一定的韌性，但沒有鋼材那么明顯，介于木材和鋼材之間。

(3)GFRP夾芯柱的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系在受力初期與 GFRP材料相似，在這個時段承受荷載的主要是GFRP材料，但是在達(dá)到GFRP材料屈服時的壓力時，GFRP夾芯柱并沒有發(fā)生明顯的屈服，其彈性模量幾乎沒有改變。這時主要受力的是木材。

由此看出，用 GFRP材料加固木材可以適當(dāng)?shù)目朔静男源嗟奶攸c(diǎn)。GFRP加固后的木材既提高了承載力，又保持了相一定的韌性，應(yīng)力應(yīng)變變化均勻，雖然也是脆性破壞，但是與泡桐木短柱和GFRP空心短柱相比延性有一定的提高，所以可以用GFRP來加固木材。

圖5 各短柱的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

2.2 變形協(xié)調(diào)分析

木材和GFRP是兩種不同的材料。它們的材料性質(zhì)是不同的。將GFRP包裹在木柱的外面使它們共同受力，兩種材料就必須粘結(jié)在一起。這樣，它們之間就會產(chǎn)生變形協(xié)調(diào)。我們分別從以下兩個方面對木柱與 GFRP的變形協(xié)調(diào)關(guān)系進(jìn)行分析。

在圖5可以看出，泡桐木短柱的變形大，彈性模量較小，而GFRP空心柱的彈性模量大于泡桐木短柱。將木柱和 GFRP空心柱組合在一起成為 GFRP夾芯柱，兩種材料之間沒有相對滑動，這就要求它們在豎向?qū)崿F(xiàn)變形協(xié)調(diào)。通過 GFRP夾芯柱的應(yīng)力－應(yīng)變曲線圖看出，在相同的應(yīng)力下，GFRP夾芯柱的豎向變形介于泡桐木短柱和 GFRP空心柱之間。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，開始階段 GFRP夾芯柱的應(yīng)力－應(yīng)變曲線幾乎和 GFRP空心柱重合，說明在這個階段承受壓力的主要是GFRP材料。到達(dá)一定的應(yīng)力時，GFRP夾芯柱與 GFRP空心柱的應(yīng)力－應(yīng)變曲線開始分開，這時木材的承載力開始體現(xiàn)出來了，兩種材料之間產(chǎn)生變形協(xié)調(diào)。由于發(fā)生豎向的變形協(xié)調(diào)，使得 GFRP夾芯柱的豎向變形要小于泡桐木短柱。用 GFRP材料加固泡桐木短柱，可以減小泡桐木短柱的軸向形變，減少木結(jié)構(gòu)建筑由于變形引起的破壞。一般彈性材料的橫向應(yīng)變和軸向應(yīng)變的比值為一個常數(shù)，這個常數(shù)就是泊松比。這是彈性材料的一個重要參數(shù)。查閱資料，木材的泊松比一般在 0.05左右，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果中橫向應(yīng)變和軸向應(yīng)變的比值在 0.36左右，大于理論值，主要原因是實(shí)驗(yàn)中使用的泡桐木，泡桐木的孔隙率較大，和一般的木材有差別。

2.3 極限承載力與強(qiáng)度分析

通過分析，分別得到3種材料的受力極限，如表5所示。

表5 3種構(gòu)件的極限強(qiáng)

從數(shù)據(jù)中看出，GFRP夾芯柱的強(qiáng)度極限雖不及 GFRP空心柱，但和泡桐木短柱相比提高了許多，而且GFRP夾芯柱的承載力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單獨(dú)使用泡桐木短柱和 GFRP空心柱的。所以用GFRP材料加強(qiáng)泡桐木短柱，可以改善泡桐木短柱的力學(xué)性能，提高強(qiáng)度。

計算泡桐木短柱與 GFRP空心柱極限強(qiáng)度的加權(quán)平均數(shù)：

其值小于 GFRP夾芯柱的極限強(qiáng)度56.53 MPa，大于泡桐木短柱和GFRP空心柱極限強(qiáng)度的加權(quán)平均值，提高了約45%，說明泡桐木短柱和 GFRP空心柱的組合并不是簡單地疊加了兩部分的承載力，而是將泡桐木短柱和 GFRP空心柱有機(jī)的結(jié)合成了一個整體，共同作用。

進(jìn)一步分析可知，承載力的提高主要有以下方面的原因：

（1）泡桐木短柱和 GFRP材料組合，由于泡桐木短柱變形大，在泡桐木短柱與 GFRP的接觸面，GFRP對泡桐木短柱產(chǎn)生反向應(yīng)力，提高泡桐木短柱的軸向承載力；

（2）GFRP對泡桐木短柱環(huán)向加固，進(jìn)一步提高木材的軸向承載力；

（3）泡桐木短柱和 GFRP材料之間“取長補(bǔ)短”，起到了相互促進(jìn)的效果；

（4）提高的程度大于前人的研究成果，主要是因?yàn)楸疚倪x用的是短柱。

2.4 GFRP泡桐木短柱截面破壞分析

引入有效約束區(qū)與非有效約束區(qū)的概念。已有材料表明[5]GFRP加固柱體結(jié)構(gòu)是一種被動的約束。根據(jù)Lam的研究成果，將在柱體截面核心區(qū)域按約束強(qiáng)度大小分為強(qiáng)約束區(qū)和弱約束區(qū)。在軸向壓力作用下，由于角部受到兩個相互垂直方向的拉力作用，其合力沿對角線集中擠壓，形成對核心區(qū)域的強(qiáng)力約束；同時GFRP為柔性材料，抗彎剛度極小，使結(jié)構(gòu)受到很小的橫向約束力，形成對核心區(qū)域的弱力約束。在強(qiáng)約束區(qū)有兩個方向的約束應(yīng)力相等或相近，使柱體處于實(shí)際的三軸應(yīng)力狀態(tài)。在弱約束區(qū)，垂直于表面的應(yīng)力很小，使柱體近似處于二軸應(yīng)力狀態(tài)。約束應(yīng)力的分布模型如圖6所示，從GFRP夾芯柱截面破壞的試驗(yàn)結(jié)果中可看出，在加載的過程中，出現(xiàn) GFRP剝離破壞，最后是棱上GFRP撕裂，

試件喪失承載力而破壞，這和試驗(yàn)中截面出現(xiàn)拱形破壞跡線是符合的。如圖7所示，這表明采用GFRP環(huán)向加固時即通過拱作用有效地施加到核心區(qū)域，這和試驗(yàn)中出現(xiàn)的面板，腹板的 1/2處劇烈屈曲形變相符合。

圖6 GFRP加固主題截面約束圖

圖7 GFRP加固柱體立面約束圖

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析計算，得到GFRP泡桐木短柱強(qiáng)度較泡桐木短柱和GFRP空心柱的加權(quán)平均值提高了約45%，具備組合效應(yīng)。說明GFRP材料在增加泡桐木短柱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的優(yōu)越性。通過試驗(yàn)分析得到，GFRP材料加固泡桐木，可以適當(dāng)?shù)奶岣哐有?，一定程度克服木材脆性的特點(diǎn)?？紤]到GFRP材料的高強(qiáng)輕質(zhì)、可設(shè)計性等其他性能，在建材領(lǐng)域可以推廣使用GFRP復(fù)合材料，以彌補(bǔ)傳統(tǒng)建材的缺點(diǎn)，增強(qiáng)抗壓性能。同時，可以合理使用于修復(fù)期齡較長的木結(jié)構(gòu)建筑延長其使用壽命，通過與傳統(tǒng)建材的組合，達(dá)到增加結(jié)構(gòu)安全性能的目的。

［1］EMERSON R N.Insitu repair technique for decayed timber piles［C］//Blandford G Structures Congress Nashville：Structures，2004.

［2］馬建勛.碳纖維布加固木柱軸心抗壓性能試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2005，35（8）：40－44.

［3］邵勁松，劉偉慶.FRP 環(huán)向加固木柱軸心受壓性能試驗(yàn)研究［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012（2）：52－55.

［4］曹海.FRP 加固木柱軸心受壓性能試驗(yàn)研究［J］.齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報，2013，29（4）：74－76.

［5］LAM L，TENG J G.Compressive strength of FRP－con－fined concrete in rectangular column ［J］.FRPCom－posites in Civil Engineering，2001，1：335－343.