預(yù)應(yīng)力鋼帶加固裂損木柱軸心受壓性能試驗研究

楊 勇，陳 展，王香云，薛建陽

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

由于年代久遠(yuǎn)，目前大量的木結(jié)構(gòu)古建筑均具有一定程度的破損和開裂，其中，裂損是古代木結(jié)構(gòu)建筑的主要破損形態(tài)，而且，在我國還存有大量的木結(jié)構(gòu)民居建筑，這些民居建筑的木梁和木柱也均存在著較為嚴(yán)重的開裂損傷，如何對這些裂損木結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行維護和加固對于提高結(jié)構(gòu)安全和保護傳統(tǒng)民居文化具有重要意義.

20世紀(jì)末，纖維增強復(fù)合材料(Fiber Rein-forced Plastic，簡稱FRP)已經(jīng)開始被廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)的加固補強[1-3].國內(nèi)外較多學(xué)者開展了很多采用FRP加固木結(jié)構(gòu)構(gòu)件和裂損木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的試驗研究.Emerson[4]對采用玻璃纖維布加固的木橋墩進行了軸心受壓試驗研究.研究結(jié)果表明，玻璃纖維布可對加固木柱產(chǎn)生有效約束，加固木柱的承載力提高了17%.Chidiaq[5]對CFRP加固無損傷木柱進行了軸心受壓試驗研究，研究結(jié)果表明，加固后木柱的承載力提高了15%～25%.朱雷等人[6]以開裂和CFRP層數(shù)為研究參數(shù)，研究加固木柱的受力性能.研究結(jié)果表明，開裂可使木柱的承載能力和極限位移發(fā)生明顯降低，而粘貼CFRP能提高木柱的承載力和延性，且加固木柱的性能隨著CFRP層數(shù)的增加而提高.曹海[7]分別采用CFRP 和GFRP對木柱進行加固，并對兩者的加固效果進行了對比分析.研究結(jié)果表明，CFRP加固木柱的承載力高于GFRP加固木柱.

由此可知，F(xiàn)RP加固木柱確實能改善木柱受力性能，但是也可以看出，采用FRP加固裂損木結(jié)構(gòu)并不能有效改善木結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能，加固后試件的承載力提高較小.同時，采用FRP加固木柱對木柱剛度提高也比較有限，并且加固費用較高.

為了優(yōu)化加固方法并降低加固費用，對一批預(yù)應(yīng)力鋼帶加固裂損木柱進行了試驗研究，并對加固后裂損木柱的破壞形態(tài)、受力性能開展了部分研究.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計與制作

預(yù)應(yīng)力鋼帶加固裂損木柱試驗中共設(shè)置7個試件B1-B7，以鋼帶間距和鋼帶層數(shù)為研究參數(shù).其中B1為未加固試件，B2-B7為預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件，未加固試件B1和預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件B2-B7的直徑均為190 mm，7根木柱柱高均為800 mm，所用木材均為東北白松，放置時間超過一年. 試件加固方式如表1.

表1 試件編號及加固方式

試驗前使用預(yù)應(yīng)力鋼帶對試件兩端進行局部加固，以防止試件端部發(fā)生局部受壓破壞.各試件的具體形式如圖1.

圖1 構(gòu)件制作Fig.1 The fabrication of specimens

1.2 鋼帶材性

鋼帶是一種有效的結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固材料，其具有以下特點：強度高；施工和操作方便；質(zhì)優(yōu)價廉，適用于實際工程的加固補強；具有較高的耐腐蝕性和耐火性.

本試驗中加固所用的預(yù)應(yīng)力鋼帶的力學(xué)性能如下表2.

表2 鋼帶的力學(xué)性能

1.3 加載和量測方案

試驗于西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)與抗震教育部重點實驗室進行，試驗過程中使用5 000 kN四柱壓力試驗機對試件施加軸向荷載，試驗加載裝置簡圖如圖2所示.

試驗過程中采用位移加載制度，將試件放入四柱壓力機并幾何對中后，開始對試件進行預(yù)加載，檢驗加載和量測裝置是否可以正常工作，正常后卸載至零并重新開始加載.試驗時在試件周圍放置2個位移計來量測試件的軸向變形，位移計布置位置見圖2.

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Test set-up

1.4 應(yīng)變片布置

試件應(yīng)變片布置如下：在所有試件中部沿圓周間隔90°縱向粘貼4個應(yīng)變片，測量試件的豎向應(yīng)變；在加固試件豎向中間位置處的預(yù)應(yīng)力鋼帶上橫向粘貼3個應(yīng)變片，測量預(yù)應(yīng)力鋼帶的環(huán)向應(yīng)變.

2 試驗現(xiàn)象及破壞特征

2.1 試件B1-B7的破壞過程

2.1.1 未加固試件B1

未加固試件B1在加載前柱身有較多干縮裂縫和木節(jié)，其中木柱中部兩個木節(jié)相對較大.在開始加載后，柱身中部兩個木節(jié)處逐漸出現(xiàn)縱向和橫向裂縫；隨著荷載逐漸增大，木節(jié)處縱向和橫向裂縫逐漸加寬；最終，兩木節(jié)處橫向裂縫貫通，縱向裂縫寬度接近5 mm，木柱折斷，發(fā)生脆性破壞.試件破壞過程如圖3.

圖3 未加固木柱B1的破壞過程Fig.3 The failure pattern of unreinforced wooden B1

2.1.2 加固試件B2

試件本身縱向干縮裂縫和木節(jié)較多，預(yù)應(yīng)力鋼帶加固完成后，只有部分木節(jié)裸露.試驗加載過程中，由于預(yù)應(yīng)力鋼帶的約束作用，試件本身裂縫發(fā)展受到明顯限制，木節(jié)處縱向和橫向裂縫的數(shù)量和寬度明顯降低；最終，試件并未發(fā)生明顯破壞.試件形式如圖4.

圖4 加固木柱B2的破壞過程Fig.4 The failure pattern of reinforced wooden B2

2.1.3 加固試件B3

試件本身縱向干縮裂縫和木節(jié)較多.加載過程中，由于鋼帶的約束作用，試件裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展均受到限制，鋼帶間隔位置木節(jié)處產(chǎn)生微小的縱向和橫向裂縫；隨著荷載不斷增大，試件本身裂縫逐漸增多；最終，試件頂部預(yù)應(yīng)力鋼帶加固部位大木節(jié)處被壓斷，木柱外鼓，試件發(fā)生破壞.試件形式如圖5.

圖5 加固木柱B3的破壞過程Fig.5 The failure pattern of reinforced wooden B3

2.1.4 加固試件B4

試件本身縱向干縮裂縫和木節(jié)較多，試件中部有兩個不在同一水平面內(nèi)的木節(jié).加載過程中，當(dāng)荷載較小時，試件中部木節(jié)處逐漸產(chǎn)生縱向和橫向裂縫；隨著荷載逐漸增大，木節(jié)處縱向和橫向裂縫的數(shù)量和寬度逐漸增加，但明顯少于未加固試件；最終，在極限狀態(tài)時，試件因發(fā)生折斷而破壞.試件形式如圖6.

圖6 加固木柱B4的破壞過程Fig.6 The failure pattern of reinforced wooden B4

2.1.5 加固試件B5

試件本身同樣存在較多縱向干縮裂縫和木節(jié).在加載過程中，由于預(yù)應(yīng)力鋼帶的約束作用，試件裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展均受到限制，縱向和橫向裂縫的數(shù)量和寬度明顯降低；當(dāng)荷載逐漸增大，試件節(jié)疤處逐漸出現(xiàn)縱向和橫向裂縫；最終，試件因節(jié)疤所在處截面被壓斷而發(fā)生破壞.試件形式如圖7.

圖7 加固木柱B5的破壞過程Fig.7 The failure pattern of unreinforced wooden B5

2.1.6 加固試件B6

試件存在較多的縱向裂縫和木節(jié)，加固后試件頂部部分木節(jié)裸露在外.加載過程中，試件裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展均受到限制，縱向和橫向裂縫發(fā)展緩慢；當(dāng)荷載逐漸增大，試件木節(jié)處開始產(chǎn)生微小的縱向和橫向裂縫，并隨著荷載的增大而變寬；在達到極限荷載時，柱身折斷，并在木節(jié)處產(chǎn)生斜向滑移面，試件發(fā)生破壞，試件形式如圖8.

圖8 加固木柱B6的破壞過程Fig.8 The failure pattern of reinforced wooden B6

2.1.7 加固試件B7

加固前試件存在較多的縱向裂縫和木節(jié).加載過程中，由于預(yù)應(yīng)力鋼帶的約束作用，試件裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展均受到限制，縱向和橫向裂縫發(fā)展較為緩慢；隨著荷載不斷增加，試件表面木節(jié)處開始出現(xiàn)橫向和縱向裂縫，且裂縫寬度隨著荷載增大而增大，并且試件逐漸被壓褶皺，直到發(fā)生斷裂；達到極限荷載時，試件折斷現(xiàn)象較為明顯，B7的破壞過程與B6相似，試件形式如圖9.

圖9 加固木柱B7的破壞過程Fig.9 The failure pattern of reinforced wooden B7

3 試驗結(jié)果分析

通過對各試件的荷載—位移曲線進行分析，對比預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件與未加固試件的承載力、剛度和延性等力學(xué)性能的變化情況，研究不同的鋼帶間距和層數(shù)對木柱受力性能的影響，驗證預(yù)應(yīng)力鋼帶加固裂損木柱的有效性與可行性.

3.1 荷載—位移曲線

圖10為試件B1-B7的荷載—位移曲線，從圖中可以看出，未加固試件B1在破壞前也出現(xiàn)了塑性階段；但與未加固試件B1相比，使用預(yù)應(yīng)力鋼帶加固后的試件，由于預(yù)應(yīng)力鋼帶的主動約束，加固試件的屈服荷載得到明顯提高，也表現(xiàn)出更好的延性性能.

圖10 試件荷載—位移曲線Fig.10 Load-displacement curve of specimens

對圖10中各試件的荷載—位移曲線進行分析可以得到預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件的承載力和剛度的改善情況.

3.2 承載力

對表3和圖11進行分析可知，使用預(yù)應(yīng)力鋼帶對木柱進行加固能夠顯著提高木柱的承載能力，提高幅度為10%～30%.鋼帶層數(shù)和間距對試件的承載能力均有較大影響，表明鋼帶對裂損木柱的加固補強效果明顯.

表3 加固木柱極限承載力提高情況

圖11 試件極限荷載對比圖Fig.11 Ultimate capacity of specimens

3.3 剛度

對圖10進行分析可以得到，預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件B2-B7的荷載—位移曲線斜率與未加固試件B1斜率較為接近，主要原因是由于未加固木柱自身缺陷較多，各試件自身剛度相差較大，從而導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件的剛度與未加固試件相比沒有明顯提高.

3.4 承載力影響因素

由于木材自身性能差異較大，且各試件的缺陷也有較大差別，故僅給出一些比較明顯的結(jié)論.

(1)強度

木材固有強度對加固木柱的承載力影響較大，木材固有強度越高，加固木柱承載力提高幅度越大.

(2)裂損

通過對試件B1-B7的試驗結(jié)果進行分析可知，木柱自身裂損程度極大的限制了加固后木柱的承載力提高幅度.自身裂損越多、越集中，木柱越容易在鋼帶間隙處發(fā)生破壞，預(yù)應(yīng)力鋼帶的約束作用越不能得到充分發(fā)揮，從而導(dǎo)致試件承載力提高較低.

(3)預(yù)應(yīng)力鋼帶的間距和層數(shù)

預(yù)應(yīng)力鋼帶層數(shù)相同時，隨著鋼帶間距減小，木柱的承載能力理應(yīng)有提高，但試驗結(jié)果并未有明顯提高，主要原因是由于被加固木柱自身的承載能力相差較大而造成.隨著鋼帶層數(shù)增加，鋼帶的約束作用增大，木柱的承載能力得到提高.

3.5 預(yù)應(yīng)力鋼帶加固木柱與FRP加固木柱對比分析

以上研究結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力鋼帶加固可對木柱產(chǎn)生有效約束，改善被加固木柱的受力性能.現(xiàn)將預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試驗研究結(jié)果與邵勁松等學(xué)者[8-12]采用FRP加固木柱的試驗結(jié)果進行對比，從以下幾方面將預(yù)應(yīng)力鋼帶加固木柱與FRP加固木柱的受力性能進行對比分析.

(1)預(yù)應(yīng)力鋼帶加固木柱與FRP加固木柱在一定程度上都可以對木柱縱向裂縫的發(fā)展產(chǎn)生限制. FRP加固木柱的破壞形式有兩種：一種是木節(jié)處發(fā)生褶皺，木柱外鼓，導(dǎo)致木纖維被拉斷而發(fā)生破壞；另一種是相鄰兩木節(jié)處的橫向裂縫貫通，導(dǎo)致木柱產(chǎn)生斜向滑移面而發(fā)生破壞.這兩種破壞形式都與木材的自身缺陷有明顯聯(lián)系.預(yù)應(yīng)力鋼帶加固木柱的破壞形式也與木材自身的強度和缺陷有明顯聯(lián)系，鋼帶的間距和層數(shù)對其影響較小；

(2)FRP加固木柱可以提高加固木柱的承載能力，并且隨著FRP層數(shù)增多或間距減小提高幅度增大.預(yù)應(yīng)力鋼帶加固木柱亦能提高被加固木柱的承載能力，提高幅度為10%～30%.

(3)FRP加固木柱能夠提高木柱的剛度，但改變FRP的層數(shù)和間距對試件剛度無明顯影響. 而預(yù)應(yīng)力鋼帶加固木柱對木柱的剛度也無明顯影響.

綜上可知，相比于FRP加固木柱，預(yù)應(yīng)力鋼帶在提高木柱受力性能的同時更可以“主動”對木柱施加約束，避免了鋼帶應(yīng)力滯后，使兩者可以共同受力，可充分發(fā)揮出鋼帶的材料性能，是一種有效的木柱加固技術(shù).

4 加固機理

用預(yù)應(yīng)力鋼帶對木柱進行加固后，由于預(yù)應(yīng)力的作用鋼帶會對木柱產(chǎn)生主動約束，使其在未受軸向壓力作用時，就受到初始環(huán)向約束應(yīng)力.在施加軸向荷載時，被加固木柱處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，木柱的橫向變形受到鋼帶的有效約束，兩者成為一個整體共同參與受力，降低了鋼帶的應(yīng)力滯后現(xiàn)象，可以使鋼帶的性能得到充分發(fā)揮，被加固木柱的承載能力和延性性能均得到較大提高.

5 結(jié)論

(1)預(yù)應(yīng)力鋼帶加固木柱能夠提高木柱的承載能力，提高幅度為10%～30%，其中鋼帶間距對承載力的影響較大；加固后木柱的延性和耗能能力得到改善，但剛度變化不明顯.

(2)預(yù)應(yīng)力鋼帶加固木柱，試件的破壞形態(tài)與未加固試件基本相同，但預(yù)應(yīng)力鋼帶加固避免了鋼帶的應(yīng)力滯后現(xiàn)象，鋼帶對木柱產(chǎn)生主動約束，試件的屈服荷載得到明顯提高，也表現(xiàn)出更好的延性性能.

(3)木柱的自身強度、裂損和木節(jié)等缺陷對加固木柱的極限承載力均有較大影響，導(dǎo)致未能體現(xiàn)出不同鋼帶間距和層數(shù)的加固效果.

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