FRP木夾芯柱高溫后軸心受壓的試驗(yàn)研究

陳宇 蔡穎 吳凱莉

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

前言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）憑借其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性好、設(shè)計(jì)靈活、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于結(jié)構(gòu)加固改造、房屋建造、橋梁建設(shè)等領(lǐng)域，備受?chē)?guó)內(nèi)外工程師、研究人員、設(shè)計(jì)人員們的青睞。

目前，國(guó)內(nèi)外大部分研究主要針對(duì)室溫下FRP夾芯結(jié)構(gòu)的性能研究。美國(guó)Oklahoma大學(xué)對(duì)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約17%。同濟(jì)大學(xué)的張大照[1]，南京工業(yè)大學(xué)的邵勁松[2-3]，四川大學(xué)的梁危[4]等人，先后通過(guò)試驗(yàn)研究了不同加固方式對(duì)木柱抗壓性能的影響，并得出FRP加固木柱的破壞模式及極限承載力的計(jì)算公式等結(jié)論。然而，上述研究?jī)H報(bào)道了室溫下的試驗(yàn)研究，為適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向大跨、高聳、重載、輕質(zhì)發(fā)展的需求, 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）作為結(jié)構(gòu)材料的高溫后性能尤為重要。但一般FRP不能在高溫下長(zhǎng)期使用，通用聚酯FRP在50℃以上強(qiáng)度就明顯下降，一般只在100℃以下使用；通用型環(huán)氧FRP在60℃以上，強(qiáng)度有明顯下降[5]。因此考慮FRP高溫后剩余強(qiáng)度十分必要。

本文采用3層FRP纖維布環(huán)向加固不同截面尺寸木柱，進(jìn)行高溫后軸心受壓的試驗(yàn)研究，了解高溫后FRP夾芯木柱的抗壓性能變化，為FRP構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)及火災(zāi)后的損傷評(píng)估、加固提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)共進(jìn)行3組纖維增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯木柱高溫后軸向性能的對(duì)比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)所采用的夾芯木材均為泡桐木，其氣干密度約為250-300kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)小，燃點(diǎn)高達(dá)425℃，抗壓強(qiáng)度為26.5MPa。加固材料統(tǒng)一為FRP纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，并設(shè)計(jì)纖維布層數(shù)為3層（約1.8mm），纖維方向統(tǒng)一正交布。夾芯柱外觀尺寸為40mm×40mm×120mm（方形）和40mm×120mm（圓形）兩種。設(shè)計(jì)4種溫度：20℃（室溫）、Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度120℃）、200℃、300℃。試件統(tǒng)一編號(hào)為X Y ，其中X為試件規(guī)格，有S：方形夾芯泡桐木，C：圓形夾芯泡桐木，W：泡桐木；Y為鍋爐溫度，有T0：20℃，T1：Tg，T2：200℃，T3：300℃。編號(hào)示意：ST0代表方形夾芯泡桐木受溫度20℃。具體見(jiàn)表1：

表1 試件編號(hào)及主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)安排

試驗(yàn)在南京工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料試驗(yàn)室中進(jìn)行。將試件置于高溫爐中進(jìn)行加熱，待柱子中心溫度升至指定溫度時(shí)，繼續(xù)保持爐溫恒定半小時(shí)，確保柱子內(nèi)部溫度均勻且穩(wěn)定。將柱子從高溫爐中取出后，冷卻至室溫后放于MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，荷載-位移曲線通過(guò)微機(jī)電腦進(jìn)行采集。正式加載前先進(jìn)行預(yù)壓以確保承壓臺(tái)座基礎(chǔ)穩(wěn)固，試驗(yàn)采用連續(xù)均勻加載方式，加載速度為2mm/min，當(dāng)荷載下降至極限荷載并觀察一定延性后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)過(guò)程

（1）A組。在荷載增加過(guò)程中，原木試件呈典型的軸壓破壞特性。試件WT0、WT1、WT2在加載過(guò)程中均具有一定的延性，試件WT0和試件WT1順45°錯(cuò)位軸壓破壞，試件WT2開(kāi)始出現(xiàn)豎向裂縫，端部木纖維壓碎，仍基本為軸壓破壞。而試件WT3呈明顯的脆性破壞特征，在加載初期碳化層即發(fā)出聲響劈裂破壞，出現(xiàn)豎向裂縫貫通試件。

（2）B組。在荷載增加過(guò)程中，方形試件呈典型的軸壓破壞特性。不同溫度試驗(yàn)下，加載后試件ST的破壞形態(tài)基本相似，均為延性破壞。試件加載初期，先是某一部位局部FRP纖維崩斷發(fā)出聲響，隨后破壞處周?chē)w維布出現(xiàn)褶皺直至拉斷，明顯出現(xiàn)橫向裂縫，試件仍均為軸壓破壞。

（3）C組。在荷載增加過(guò)程中，圓形試件呈典型的軸壓破壞特性。試件CT0由于端部壓曲而破壞；試件CT1隨荷載增加，出現(xiàn)不規(guī)則FRP纖維崩斷痕跡和縱橫裂縫；試件CT2和CT3初期橫向變形很小，局部FRP崩裂后木柱錯(cuò)位變形，周?chē)蝗w維布受力相繼向外崩裂破壞，呈麻花狀，也屬于軸壓破壞。

典型試件破壞形態(tài)見(jiàn)圖1。

總之，試件破壞基本呈軸壓破壞特征，不同溫度試驗(yàn)加載后同組試件的破壞形態(tài)基本相似，多數(shù)為延性破壞，但其中的試件WT3為脆性破壞。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3組試件的荷載-位移曲線見(jiàn)圖2～4

圖2 A組的荷載-位移曲線圖

圖3 B組的荷載-位移曲線圖

圖4 C組的荷載-位移曲線圖

由圖1～4可知，試件的受力過(guò)程可分為三個(gè)階段：第一階段，試件達(dá)到極限承載力之前，荷載與位移成正比，三組試件性能類(lèi)似原木柱。此時(shí)在加載初期，加載荷載較小，試件的橫向變形也很小，F(xiàn)RP對(duì)木柱的約束壓力小，約束作用并不明顯。第二階段：試件承載力首次達(dá)到峰值后，荷載隨著位移增大而下降，之后加固試件應(yīng)力重分布，出現(xiàn)荷載“回升”現(xiàn)象。木柱先是局部木纖維屈曲壓碎破壞，使得木柱承載面積減小，導(dǎo)致大范圍木纖維都相繼屈曲破壞。加固試件在FRP約束作用下應(yīng)力重分布，能繼續(xù)承擔(dān)荷載作用。試件表面微裂縫緩慢發(fā)展，F(xiàn)RP對(duì)木柱的橫向約束得到體現(xiàn)，直至纖維層充分發(fā)揮作用，木柱的延性得到明顯改善。第三階段，承載力達(dá)到極限，木柱破壞變形。FRP約束力不能再維持試件的穩(wěn)定，木柱中部出現(xiàn)明顯的45°錯(cuò)動(dòng)變形，未破壞部分的FRP繼續(xù)限制壓碎部分向外側(cè)彎折變形，此時(shí)荷載緩慢地發(fā)生下降。

表2 試件的極限荷載

由表2知，軸壓木柱經(jīng)FRP加固后的承載力和變形能力均得到提高，極限承載力隨溫度的增加而明顯降低。由A、B組的試驗(yàn)結(jié)果比較可得，正交纏繞FRP的試件對(duì)應(yīng)在不同溫度下顯著提高木柱承載力183.48%～244.23%；由B、C組的試驗(yàn)結(jié)果比較可得，截面積更大的B組試件顯然比C組試件承載力更高；對(duì)比室溫和120℃、200℃、300℃高溫下的木柱承載力可知，每組試件極限承載力都隨溫度的增加而明顯降低，其中C組在室溫和120℃下極限承載力下降幅度很小，幾乎忽略不計(jì)，A組和B組極限承載力在200℃下仍有室溫下承載力的61.36%～74.51%，200℃后承載力急速下降，可見(jiàn)方形木夾芯柱高溫后的承載能力優(yōu)于圓形木夾芯柱。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要進(jìn)行了FRP加固木夾芯柱試件高溫后的試驗(yàn)研究，根據(jù)材料特性和試驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)比分析了各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)試件工作性能產(chǎn)生的影響。可得到如下結(jié)論：

（1）FRP木夾芯柱基本為延性破壞，原木柱部分是脆性破壞。FRP加固試件的破壞緣于木纖維屈曲壓碎破壞，主要表現(xiàn)為FRP包裹層的壓皺破壞，破壞前都有明顯預(yù)兆，為延性破壞。原木試件的破壞表現(xiàn)為木纖維在薄弱處受壓褶皺，向外彎折變形，出現(xiàn)斜45°破壞面和縱向裂縫，仍是延性破壞，但是300℃下，原木受壓直接劈裂破壞，為脆性破壞。

（2）FRP對(duì)木柱的約束作用顯著提高木柱的受壓承載能力。采用FRP加固木柱可提高木柱的承載力，改善木柱的變形能力，正交纏繞FRP的試件對(duì)應(yīng)在不同溫度下顯著提高木柱承載力達(dá)179%～233%，隨著溫度的升高，增幅逐漸變緩。

（3）FRP木夾芯柱極限承載力隨溫度的增加而明顯降低，方形木夾芯柱高溫后的承載能力優(yōu)于圓形木夾芯柱。每組木柱的極限承載力都隨溫度的增加而明顯降低，其中C組在室溫和120℃下極限承載力下降幅度很小，幾乎忽略不計(jì)，但200℃下承載力只有原先的46.7%左右，而A組和B組極限承載力在200℃下仍有室溫下承載力的61.8%～65.3%。

（4）高溫后木夾芯柱承載力下降原因主要包括：高溫后木材強(qiáng)度的明顯劣化；高溫使得FRP性能降低，樹(shù)脂軟化，F(xiàn)RP與木柱連接面發(fā)生剝離。