玄武巖纖維增強(qiáng)組合木梁抗彎性能的試驗(yàn)研究

李志強(qiáng) 王小東

(河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

玄武巖纖維增強(qiáng)組合木梁抗彎性能的試驗(yàn)研究

李志強(qiáng) 王小東

(河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000)

通過(guò)優(yōu)化不同拼接方式對(duì)整體木質(zhì)構(gòu)件抗彎性能的影響來(lái)尋求最佳的玄武巖纖維增強(qiáng)整體組合木梁拼接方案.試驗(yàn)通過(guò)對(duì)11根矩形截面組合木梁的受彎靜力試驗(yàn)，進(jìn)行了玄武巖纖維板(BFRP)加固組合木梁抗彎性能的研究，分析和研究了影響組合木梁結(jié)構(gòu)性能的各種因素以及組合木梁極限抗彎承載力、撓度等性能.試驗(yàn)結(jié)果表明，粘貼BFRP板能提高木梁的極限抗彎承載力，同時(shí)適當(dāng)增大組合木梁層板的厚度和相鄰層板榫齒結(jié)合處距離可以提高木梁的剛度和延性，且可以通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力來(lái)提高組合木梁的極限抗彎承載力.以上結(jié)果說(shuō)明在木梁受拉區(qū)粘貼BFRP板是提高組合木梁抗彎性能的有效方法.

組合木梁；玄武巖纖維板；抗彎加固

0 前 言

木結(jié)構(gòu)一直是中國(guó)傳統(tǒng)建筑的重要結(jié)構(gòu)形式，一直到今天我國(guó)仍舊保存有大量木結(jié)構(gòu)的塔、橋梁等建筑.木結(jié)構(gòu)建筑具有節(jié)能、環(huán)保、舒適等特點(diǎn)，與現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)相比更具有安心安全、健康舒適的特征.隨著以人為本、注重人與建筑自然和諧共生等理念的深入人心，傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的保護(hù)工作日益受到人們的重視[1].木材也可以通過(guò)與其它高性能材料復(fù)合，進(jìn)行改性加工制成新型木質(zhì)構(gòu)件來(lái)提高使用價(jià)值和利用率[2].

從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始，纖維增強(qiáng)塑料(FRP)就被用在木結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)中，幾乎同時(shí)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者展開(kāi)了FRP應(yīng)用于木梁、木柱的加固研究[2-3].而將玄武巖連續(xù)纖維增強(qiáng)塑料BFRP(Basalt Fiber Reinforced Polymer)應(yīng)用于木材的加固修復(fù)中可以改善木材的受力性能，使劣質(zhì)木材得以優(yōu)化利用，提高了木材的使用價(jià)值，使得木材在建筑領(lǐng)域應(yīng)用的范圍大大拓寬[4].國(guó)內(nèi)有關(guān)BFRP應(yīng)用于梁構(gòu)件加固的研究很多.王全鳳等進(jìn)行了玄武巖纖維布加固木梁的抗彎性能試驗(yàn)，研究表明通過(guò)在梁受拉面粘貼玄武巖纖維布可以大大提高木梁的極限抗彎承載力[5]；黃麗華等通過(guò)在鋼筋混凝土梁外部粘貼BFRP，進(jìn)行了不同粘接層數(shù)、橫向錨固的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)在鋼筋混凝土梁外部粘貼BFRP材料可以顯著地抑制梁的開(kāi)裂[6].

本試驗(yàn)所用的玄武巖纖維增強(qiáng)組合木梁通過(guò)先縱向后橫向組合方式將多層(多段)普通長(zhǎng)直度、普通徑級(jí)的木材拼接成整體木梁并與BFRP板復(fù)合形成玄武巖纖維增強(qiáng)組合木梁，并將纖維增強(qiáng)組合木梁的抗彎性能與實(shí)木梁、組合木梁進(jìn)行了對(duì)比，分析了影響纖維增強(qiáng)組合木梁抗彎性能的各種因素，為木構(gòu)件的加工設(shè)計(jì)及工程加固應(yīng)用提供參考.

1 試件設(shè)計(jì)

考慮到木材離散性較大，第一組～第五組梁均各制作2個(gè)加固方式相同的試件，第六組梁制作了一個(gè)試件.共進(jìn)行了11根矩形截面木梁的受彎試驗(yàn)，其中第一組與第二組為對(duì)比梁，一組為實(shí)木梁，二組為組合木梁；7根纖維增強(qiáng)組合木梁中，在層板的榫齒結(jié)合處用纖維布橫向裹敷加強(qiáng)，第三組與第四組梁在梁底次一層粘貼一層BFRP板；第五組與第六組梁在梁底層和次一層分別粘貼一層BFRP板，第六組木梁為預(yù)應(yīng)力木梁.

試件均為矩形截面(b×h=50×110 mm)，跨度1200 mm，凈跨1120 mm，第二組與第三組木梁層板厚度為10 mm，第四組、五組與六組梁層板厚度均為30 mm.試驗(yàn)方案及試件編號(hào)見(jiàn)表1.

第二組與第三組相鄰層板間榫齒結(jié)合處距離均在10 cm左右，第四組、五組與第六組相鄰層板間榫齒結(jié)合處距離均在20-30 cm左右.試件截面形式見(jiàn)圖1.

表1 試驗(yàn)方案及試件編號(hào)

圖1 試件截面形式

2 材料性能

試驗(yàn)所用木材為松木，膠粘劑使用環(huán)氧樹(shù)脂膠，膠泥與固化劑的體積混合比為2∶1.木材順紋抗拉和抗壓強(qiáng)度分別為71、34 MPa.加固材料性能詳見(jiàn)表2.

表2 加固材料性能指標(biāo)

3 加載方案及測(cè)量方案

試驗(yàn)在河北省張家口市同興工程檢測(cè)有限公司力學(xué)實(shí)驗(yàn)室WE-100型100千牛頓液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，加載方式為通過(guò)分配梁兩點(diǎn)集中加載，在正式加載前對(duì)試件進(jìn)行了預(yù)加載，之后按照3KN/min緩慢加載，直至破壞.

試驗(yàn)測(cè)量?jī)?nèi)容為木梁跨中位移、支座沉降和跨中截面木纖維的應(yīng)變.在梁跨中截面沿高度均勻設(shè)置5個(gè)應(yīng)變片，應(yīng)變由XL2101C程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集，荷載由試驗(yàn)機(jī)儀表盤讀取，位移由百分表讀取.加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2.

圖2 加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 破壞形態(tài)及機(jī)理分析

實(shí)木梁(BⅠ-1、BⅠ-2)構(gòu)件在加載前期，材料基本處于彈性狀態(tài)，隨著荷載的增加，跨中撓度逐漸增大，這個(gè)過(guò)程中木梁側(cè)面和底面出現(xiàn)了裂縫但不明顯，支座沉降很小可以忽略.在木梁達(dá)到極限荷載之前，可以聽(tīng)到清脆的木纖維斷裂聲，之后伴隨著一聲巨響，木梁突然斷裂，具有明顯的脆性破壞特征.纖維增強(qiáng)組合木梁(BⅢ-1～BⅥ-1)在加載初期處于彈性變形階段，隨著荷載逐漸增大，纖維增強(qiáng)組合木梁開(kāi)始進(jìn)入塑性階段，在這個(gè)過(guò)程中木梁層板間環(huán)氧樹(shù)脂膠開(kāi)裂，可以聽(tīng)到清脆的木纖維斷裂聲，之后一聲脆響，木梁從梁底斷裂.實(shí)木梁與纖維增強(qiáng)組合木梁均是由于受拉區(qū)缺陷處受拉木纖維達(dá)到極限拉應(yīng)變而破壞，破壞點(diǎn)為加載點(diǎn)或跨中處，均屬?gòu)澢芾茐?見(jiàn)圖3).這是因?yàn)槟静目估瓘?qiáng)度對(duì)缺陷處產(chǎn)生的應(yīng)力集中比較敏感.最終破壞時(shí)撓度已經(jīng)很大,一旦最外層木材纖維拉斷,試件會(huì)由于橫紋受拉引起縱向的劈裂而導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件在瞬間破壞.BFRP板抗拉強(qiáng)度較高，在試驗(yàn)中并未拉斷，出現(xiàn)了與木材剝離的現(xiàn)象.

圖3 典型的破壞形式

4.2 橫截面應(yīng)變

試驗(yàn)過(guò)程中，木梁試件沿截面高度平均應(yīng)變基本上呈線性分布，圖4為典型的應(yīng)變變化圖，(a)圖為第一組實(shí)木梁的典型代表(BⅠ-2)，(b)圖為第二組～第六組纖維增強(qiáng)組合木梁的典型代表(BⅥ-1)，因此在設(shè)計(jì)計(jì)算此類構(gòu)件時(shí)可以利用平截面假定.

圖4 跨中截面的平均應(yīng)變變化圖

1)由圖4(a)可以看出，實(shí)木梁(BⅠ-2)的中性軸隨著荷載的增長(zhǎng)向受拉區(qū)移動(dòng)，移動(dòng)量均值為1.777 mm，平均移動(dòng)量占梁高1.62%，表明木材的抗壓屈服點(diǎn)明顯低于抗拉屈服點(diǎn).

2)由圖4(b)可以看出，纖維增強(qiáng)組合木梁(BⅥ-1)的受拉區(qū)由于粘貼了BFRP板，受拉區(qū)抗拉強(qiáng)度得到了較大提高.中性軸向受拉區(qū)移動(dòng)量較大，移動(dòng)量最大值約為11.354 mm.

4.3 荷載及撓度曲線

試驗(yàn)?zāi)玖嚎缰薪孛媪旱缀奢d—撓度曲線如圖5所示.

圖5 試驗(yàn)?zāi)玖汉奢d—跨中撓度曲線

1)由圖5(a)可知，實(shí)木梁BⅠ-1～BⅠ-2在0～15 kN之間時(shí)，荷載—撓度成線性關(guān)系，撓度按比例增加，木梁處于彈性階段，在未進(jìn)入彈性階段之前就發(fā)生了破壞，破壞前沒(méi)有明顯的征兆.

2)由圖5(b)可知，組合木梁BⅡ-1～BⅡ-2在0～2.0 kN之間時(shí)，荷載—撓度成線性關(guān)系，撓度按比例增加，木梁處于彈性階段；在2.0～2.5 kN之間時(shí)，木梁進(jìn)入塑性階段，跨中撓度增加速度加快，直至破壞，破壞前沒(méi)有明顯征兆.

3)由圖5(c)可知，一層BFRP板加固的BⅢ-1～BⅣ-2在0～6.0 kN之間時(shí)，荷載—撓度基本成線性關(guān)系變化，試件處于彈性階段；荷載超過(guò)6.0 kN之后，進(jìn)入了塑性階段；兩層BFRP板加固的BⅤ-1～BⅥ-1在0～9.0 kN之間時(shí)，荷載—撓度基本成線性關(guān)系變化，試件處于彈性階段；荷載超過(guò)9.0 kN之后，進(jìn)入了塑性階段.由于BFRP板對(duì)木梁變形的約束，兩層BFRP板加固比一層BFRP板加固的試件彈性變形階段和塑性變形階段有所增加，彈性變形階段增加約82.73%，塑性變形階段增加約48.29%.

4.4 承載能力試驗(yàn)結(jié)果

表3給出了所有試件極限抗彎承載力的試驗(yàn)結(jié)果，表中試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)均為各組平均值.

表3 試驗(yàn)結(jié)果

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 纖維增強(qiáng)組合木梁與實(shí)木梁之間的性能對(duì)比

六組梁的極限荷載平均值分別為15，2.25，11.5，12，15，18 kN，表明通過(guò)在木梁受拉區(qū)次一層及底層粘貼BFRP均可以提高纖維增強(qiáng)組合木梁的抗彎極限承載力.粘貼一層BFRP板的纖維增強(qiáng)組合梁抗彎極限承載力低于實(shí)木梁，粘貼兩層BFRP板的纖維增強(qiáng)組合木梁承載力與實(shí)木梁相同，粘貼兩層BFRP板并施加預(yù)應(yīng)力的纖維增強(qiáng)組合木梁承載力超過(guò)了實(shí)木梁20%.纖維增強(qiáng)組合木梁的延性要好于實(shí)木梁.

5.2 組合木梁之間的性能對(duì)比

由表3可以看出與組合木梁相比，粘貼一層和兩層BFRP板的纖維增強(qiáng)組合木梁抗彎極限承載力均大大提高，粘貼兩層BFRP板比粘貼一層BFRP板承載力提高25%，施加預(yù)應(yīng)力后又比粘貼兩層BFRP纖維增強(qiáng)組合木梁提高20%.

5.3 纖維增強(qiáng)組合木梁的性能影響因素分析

5.3.1 層板厚度對(duì)纖維增強(qiáng)組合木梁受彎性能的影響

第二組與第三組木梁的層板厚度為10 mm左右，第四、五、六組木梁的層板厚度為30 mm左右(見(jiàn)圖1)，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，加大層板厚度對(duì)提高組合木梁的剛度與抗彎極限承載力是有利的.

5.3.2 相鄰層板榫齒結(jié)合處距離對(duì)纖維增強(qiáng)組合木梁受彎性能的影響

第二組與第三組木梁相鄰層板間榫齒結(jié)合處距離均在10 cm左右，第四組、五組與第六組木梁相鄰層板間榫齒結(jié)合處距離均在20-30 cm左右.由表2是試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，增大相鄰層板間榫齒結(jié)合處的距離提高了纖維增強(qiáng)組合木梁的抗彎剛度和極限抗彎承載力.

5.3.3 BFRP層數(shù)對(duì)纖維增強(qiáng)組合木梁受彎性能的影響

第三組與第四組木梁粘貼一層BFRP板，第五組木梁粘貼兩層BFRP板，由表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，增加BFRP板的層數(shù)有利于提高纖維增強(qiáng)組合木梁的抗彎承載力，對(duì)抑制梁底裂縫的過(guò)早開(kāi)裂是有利的.

5.3.4 預(yù)應(yīng)力對(duì)纖維增強(qiáng)組合木梁受彎性能的影響

第五組與第六組木梁均粘貼了兩層BFRP板，但第六組木梁施加了預(yù)應(yīng)力，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，第六組木梁的極限抗彎承載力比第五組木梁提高了20%，第六組木梁極限抗彎承載力超過(guò)了第一組實(shí)木梁，證明BFRP預(yù)應(yīng)力組合木梁在極限抗彎承載力方面可以達(dá)到甚至超過(guò)實(shí)木梁.

6 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)11根木梁試件的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，基于松木板材的玄武巖纖維增強(qiáng)組合木梁具有較好的結(jié)構(gòu)性能，可以做到小材大用，劣材優(yōu)用.

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

(1)通過(guò)在木梁受拉區(qū)粘貼BFRP板可以顯著提高木梁極限抗彎承載力，第五組木梁的極限抗彎承載力比第四組木梁提高了25%.

(2)粘貼玄武巖纖維板能提高木梁的剛度，同時(shí)組合木梁的延性有很大提高.

(3)通過(guò)增大纖維增強(qiáng)組合木梁層板的厚度以及適當(dāng)增大相鄰層板間榫齒結(jié)合處距離可以提高木梁極限抗彎承載力，第四組木梁極限抗彎承載力比第三組增大了4.35%.

(4)通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力可以提高纖維增強(qiáng)組合木梁極限抗彎承載力，在這方面超過(guò)了實(shí)木梁，極限抗彎承載力比實(shí)木梁提高了20%.

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[5]王全鳳，李飛,等.玄武巖纖維布加固木梁抗彎性能的試驗(yàn)研究與有限元分析[J].工業(yè)建筑，2010，40(4):126～130

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Study on Flexural Behavior of Fiber-reinforced Composite Timber Beams With Basalt

LIZhi-qiang,WANGXiao-dong

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,075024 China)

In this paper,the optimization of the effect of different splicing methods on the bending resistance of the whole wood component is studied to find the optimal plan of the whole composite wood beam of the basalt fiber-reinforced composite.The flexural strength of composite wood beams strengthened by BFRP was studied by bending static test of 11 beams with rectangular cross-section.The factors influencing the structural properties of composite wood beams,ultimate bending bearing capacity,deflection and other properties were analyzed and studied.The results show that the ultimate bending capacity of wood beams can be improved by pasting BFRP,and the stiffness and ductility of wood beams can be improved by appropriate increasing the thickness of the composite timber beams and the distance between the adjacent plates and the joints.Prestressing force is applied to improve the ultimate flexural capacity of composite wood beams.The above results show that it is an effective method to improve the bending resistance of the composite beams by attaching the BFRP plates to the tension zone of the timber beams.

composite wood beams;basalt fiberboard;bending reinforcement

2016-11-01

河北省教育廳指令性科技計(jì)劃項(xiàng)目(QN2014219)；河北建筑工程學(xué)院校級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD201405)

李志強(qiáng)(1975-)，男，山西襄垣人，教授，碩導(dǎo).

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.02.006

TU 3

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