碳纖維布層數對榫卯接長木梁抗彎性能影響的試驗研究

代庭葦，季 韜，張 鷹，莊一舟

(1．福州大學土木工程學院，福建福州 350116;2．福州大學建筑學院，福建福州 350116)

0 引言

由于木材自身的材性缺陷、外界環(huán)境的影響及作用荷載的改變，木結構會出現(xiàn)大量的損壞，從而需要頻繁地進行修復和補強．傳統(tǒng)的古建筑木結構加固方法有嵌補法、剔補法、下?lián)问嚼瓧U加固梁、夾接、托接法和更換新構件法等［1］，這些方法通常引入扁鋼或鐵箍進行加固，會破壞木結構原貌，并帶來新的銹蝕問題．近年來，在古建筑木結構的加固中，引入了纖維增強復合材料(FRP)，由于其具有輕質高強、耐腐蝕、耐久性好、易于剪裁、施工性好等優(yōu)點，在木結構加固修復領域得到了廣泛的應用［2］．

20世紀60年代起，國外的研究者Wangaard［3］率先對玻璃纖維增強復合材料(GFRP)加固木梁進行了試驗研究．之后，Plevris等［4］、Gilfillan等［5］、張大照［6］通過CFRP布加固木梁抗彎性能試驗，得到CFRP布能顯著改善原木梁的性能以及大幅度提高木梁的抗彎承載力的結論;張莉［7］、姬卓［2］、馬建勛等［8］、謝啟芳［9］通過試驗研究了粘貼不同層數的碳纖維布對矩形木梁抗彎性能的影響，結果均表明，經CFRP布加固后木梁的抗彎承載力大約提高20%，極限承載力、延性和剛度方面，雙層加固的提高幅度高于單層加固，同時隨著碳纖維布層數的增加，碳纖維布的工作效率會降低．

針對實際工程古建筑木結構中梁端腐朽亟待維修的現(xiàn)狀，提出一種新的維修方法，即將梁兩端已腐朽的部分鋸掉，用兩段新木材與原中間段木材通過榫卯的形式進行接長，接長后的長度與原木梁相等，之后在接長節(jié)點處粘貼碳纖維布(CFRP)進行加固，并研究不同碳纖維布(CFRP)層數對加固榫卯接長木梁抗彎承載力的影響．

1 試驗

1．1 試件的設計與制作

本次試驗共設計了5個試件，均為圓形截面，直徑d=130 mm，長度L=2 000 mm，凈跨L0=1 800 mm，各試驗梁具體參數及加固方案見表1．燕尾榫樣式見圖1，加固方案見圖2．

表1 試驗梁參數Tab．1 Test beam parameter Ds

圖1 榫卯樣式(單位:mm)Fig．1 Tenon style(unit:mm)

圖2 試件加固方案(單位:mm)Fig．2 Specimen reinforcement scheme(unit:mm)

1．2 木材的材料性能

按GB 1927～1943－09《木材物理力學性能試驗方法》［10］執(zhí)行，測得木材的主要力學性能指標見表2．

表2 木材主要性能指標Tab．2 Key performance indexes of wood

1．3 加固材料指標

CFRP布性能指標見表3，粘結劑的性能指標見表4．

表3 CFRP布性能指標Tab．3 Performance indexes of CFRP sheet

表4 粘結劑性能指標Tab．4 Performance indexes of binder

2 試驗方案

2．1 加載方案

試驗在福州大學結構實驗室進行，加載方式為液壓千斤頂手動加載，千斤頂置于荷載分配梁上，再通過鋼墊板將荷載傳遞到試驗梁上，從而實現(xiàn)兩點集中加載．根據GB/T 50329－2012《木結構試驗標準》［11］，整個加載過程采用逐級加荷方式，先進行預加載(即先加載至2 kN，而后卸載)，確認每項儀器正常運行，而后再從0開始每級加載3 kN，每級穩(wěn)定2．5 min，待開始有響聲后，每級加載改為1～2 kN，直至破壞．

2．2 量測方案

試驗測量內容為:梁跨中位移、支座沉降、加載點位移、跨中截面木纖維應變，觀察和記錄木梁的破壞情況．各試驗梁沿梁長共設置5個位移計，沿各試件跨中截面高度均勻布置5個應變片，應變片的數據通過DH3816靜態(tài)數據采集儀進行采集．試件加載裝置及測點布置見圖3，應變片用粗短線表示．

圖3 試件加載裝置及測點布置(單位:mm)Fig．3 Specimen loading device and measuring points(unit:mm)

3 試驗結果及分析

3．1 主要試驗結果

試件L1，當F=18 kN時，木梁右端開始有微裂響聲發(fā)出，原始裂縫開始開展，裂縫寬度變大;之后每級加載時均會有響聲發(fā)出，當F=46 kN時，右邊突然一聲大響，跨中靠近右邊處拉開一齒狀片;當F=52 kN時，跨中一條大裂縫，原齒狀片木材嚴重起鼓．為保護儀器和設備的安全，停止進一步加載，L1為彎曲破壞，破壞形態(tài)見圖4．

試件L2，采用吊籃進行砝碼逐級加載，加載過程逐漸有拔榫現(xiàn)象，當F=1．10 kN時，右邊榫卯處突然全部拔出，破壞形態(tài)見圖5．

圖4 試件L1破壞形態(tài)Fig．4 Failure modes of specimen L1

圖5 試件L2破壞形態(tài)Fig．5 Failure modes of specimen L2

試件L3，當F=18 kN時，開始有微裂響聲發(fā)出;加載過程中，時常有大響發(fā)出，ω跨中=11．6 mm，F(xiàn)=30 kN時，左邊一聲大響，有一條較大寬度的裂縫產生;F=32 kN時，左邊褶皺厲害，響聲不斷，ω跨中=24 mm，F(xiàn)=34 kN時，左邊一聲巨響，梁底拉開，梁側面CFRP布撕裂開，ω跨中=24．5 mm．試驗結束后，將接長節(jié)點處所粘貼的碳纖維布打磨開，可量得其拔榫尺寸為3 mm，這是由于當CFRP與木梁剝離后，失去了加固作用，使得榫卯連接處開始拔榫．

試件L4，當F=24 kN時，左邊一聲脆響，ω跨中=18．6 mm，F(xiàn)=31 kN時，左邊CFRP布開始剝離;F=33 kN時，左邊一直有響聲發(fā)出，緊接著突然一聲大響，CFRP布出現(xiàn)嚴重剝離現(xiàn)象，ω跨中=24．6 mm．試驗結束后，將接長節(jié)點處所粘貼的碳纖維布打磨開，可量得其拔出尺寸為3 mm．

試件L5，當F=21 kN時，左邊有微響，ω跨中=15．1 mm;加載過程時有清脆響聲發(fā)出;F=32 kN時，右邊一聲巨響，右邊碳纖維布剝落開，ω跨中=23．8 mm．試驗結束后，將接長節(jié)點處所粘貼的碳纖維布打磨開，可量得其拔出尺寸為5 mm．

試件L3～L5的破壞類型一樣，破壞形態(tài)相近如試件L4的破壞形態(tài)見圖6，各試件的試驗結果見表5．

圖6 試件L4破壞形態(tài)Fig．6 Failure modes of specimen L4

表5 試驗結果Tab．5 Test results

3．2 剝離破壞機理分析

在木梁的受彎靜力試驗中，經CFRP布加固后的試件L3～L5，均發(fā)生了CFRP布剝離破壞，從而導致加固梁在達到截面彎曲破壞極限承載力之前過早發(fā)生破壞．從試驗現(xiàn)象可知，CFRP布從靠近加載點的端部開始出現(xiàn)CFRP布與木材之間的剝離，破壞時CFRP布上粘附有少量木材，說明此處CFRP布與木梁之間的粘結應力超過了其粘結強度［12－13］，因此，建議在后續(xù)研究中增加CFRP布的粘結長度，降低CFRP布與木梁之間的粘結應力，以避免CFRP布與木梁的脫粘剝離破壞．

3．3 抗彎承載力分析

1)比較試件L3～L5與試件L2，未經CFRP布進行加固的試件L2，其抗彎承載力很低僅為1．1 kN，而經CFRP布進行加固后的試件L3～L5，其抗彎承載力明顯得到提高，提高至未加固前的29．1～30．9倍;比較試件L3～L5和試件L1，可知榫卯接長木梁經CFRP布加固后，其抗彎承載力可提高至原木梁L1的61．5% ～65．4%，說明這些加固方案有效．

2)比較試件L3～L5，三根試件的區(qū)別在于與木梁長度方向平行的碳纖維布層數分別為1層、2層和3層，各試件的抗彎承載力分別為34、33和32 kN，數值相近;試件L3～L5均是發(fā)生CFRP布與木梁之間的剝離破壞，而不是CFRP布被拉斷，根據謝啟芳、張莉等人［7，9］的研究成果可知，CFRP布的層數越多厚度越大，則CFRP布與木梁之間的最大界面應力也越大，則在CFRP布錨固長度不夠的情況下，增加碳纖維布厚度，也不能進一步提高木梁的極限承載力．

3．4 中和軸高度

木梁跨中截面－應變曲線見圖7．從圖7可知，木梁的應變沿截面高度的分布呈線性關系，因此在計算時可認為中性軸的位置仍在梁高的1/2處，符合平截面假定．除試件L2外其余各試件受彎時，中性軸的位置從梁高的1/2處略微向受拉區(qū)偏移，這與Johns［14］的試驗結果相一致．分析其原因主要是由于木材順紋抗壓強度比順紋抗拉強度低很多，從而木梁受壓區(qū)會更早進入塑性狀態(tài)，隨著受壓區(qū)塑性范圍的增大，中和軸逐漸向受拉區(qū)移動，試件L1、L3～L5的中和軸從加載至試驗結束，分別下移了3．34、1．34、1．47 和1．44 mm．

圖7 截面－應變曲線Fig．7 Section － strain curve

3．5 跨中撓度、剛度、能量吸收能力

各試件荷載－跨中撓度曲線見圖8，在加載初期各試件處于彈性階段，荷載－跨中撓度曲線都呈線性，試件L1在加載后期進入塑性階段，曲線斜率變小剛度減小，撓度增長加快，破壞前撓度很大．

圖8 荷載－跨中撓度曲線Fig．8 Load － deflection curves

各試件荷載－跨中撓度曲線特征值見表6．由表5可得，試件L3～L5的抗彎承載力非常相近，加固后木梁的抗彎承載力分別達完整木梁L1的65．4%、63．5%和61．5%;由表6可得，荷載－跨中撓度曲線與橫軸所包圍的面積，A3＞A4＞A5，通過面積大小來評定其能量吸收能力，則經加固后的試件L3～L5其能量吸收能力分別提高至完整木梁L1的29．58%、27．58%和26．42%(即表6中的面積比);荷載－跨中撓度曲線的原點切線斜率，K5＞K3＞K4，且其剛度分別提高至完整木梁L1的78．82%、75．88%和85．88%(即表6中的斜率比)．試件L3～L5區(qū)別于與試件梁軸平行的CFRP布層數，分別為1層、2層和3層，通過上述比較可知三者的數值均較為接近，可見CFRP布層數變化對榫卯接長木梁加固后的抗彎承載力、能量吸收能力和剛度影響不大．

表6 荷載－跨中撓度曲線特征值Tab．6 Characteristic values of load －deflection curves

4 結論

1)榫卯接長木梁粘貼CFRP布進行加固后，其抗彎承載力明顯得到提高，提高至未加固前的29．1～30．9倍，可達到原木梁(未加工過的完整木梁)的61．5% ～65．4%．

2)木梁截面應變基本呈線性關系，符合平截面假定．在加載后期，受壓區(qū)木纖維逐漸進入了塑性狀態(tài)，受壓區(qū)高度增大，中性軸向受拉區(qū)移動．

3)由于碳纖維布與木梁之間發(fā)生剝離破壞，此時增加平行于梁軸方向的碳纖維布層數對榫卯接長木梁的抗彎承載力、能量吸收能力和剛度的影響不大．當與梁軸平行的CFRP布粘貼層數，分別為1層、2層和3層時，榫卯接長木梁加固后的抗彎承載力分別可達完整木梁的65．4%、63．5%和61．5%，能量吸收能力分別達完整木梁的29．58%、27．58%和26．42%，剛度分別達完整木梁的78．82%、75．88%和85．88%．

4)為了避免發(fā)生碳纖維布與木梁的剝離破壞，在后續(xù)研究中將開展以平行于木梁軸線方向碳纖維布長度為變化參數的研究．