FRP預應(yīng)力增強膠合木梁受彎性能試驗研究

黃曉波 高榮 劉練

摘 要：為研究纖維增強復合材料（FRP）預應(yīng)力對膠合木梁受彎性能的增強效果，對5根膠合木梁進行了試驗研究，其中包括未增強木梁、無預應(yīng)力FRP增強木梁以及FRP預應(yīng)力增強木梁三種。測試不同類型膠合木梁在受彎后的破壞特征、極限承載力和撓度等參數(shù)。結(jié)果表明，通過FRP預應(yīng)力增強能夠有效提高膠合木梁的抗彎承載力和延性，并且施加的預應(yīng)力越大，增強的效果越好。

關(guān)鍵詞：膠合木梁;預應(yīng)力;FRP;受彎性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.172

0 引言

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)工程中常用的膠合木梁的彎曲破壞大都是由受拉邊的木節(jié)、斜紋或機械接頭部位等缺陷引起的脆性破壞，木材強度尤其是受壓強度得不到充分利用[1]，長期以來研究人員不斷探索膠合木梁的增強方法。國內(nèi)外有許多學者在這方面進行了研究[2-4]，大多是采用將鋼筋或FRP材料以開槽或直接粘貼方式布置在木梁的受拉區(qū)，這樣做雖然對木梁的抗彎性能有一定的增強，但其增強效果并不明顯，也未能充分發(fā)揮增強材料的高強特性。有部分研究者也在探索利用預應(yīng)力對膠合木梁進行增強[5-7]，但施加預應(yīng)力的方法大多采用的是預彎法、張弦法和打孔穿絲等方法，要么施加的預應(yīng)力的噸位比較小，要么需要在梁體上添加了附加裝置，不利于木梁在實際工程中的應(yīng)用，或者需要在木梁上打孔開槽，破壞了木材的整體性，影響了加固效果。

本文將通過試驗研究，探討采用FRP片材施加預應(yīng)力增強膠合木梁的效果，研究不同預應(yīng)力值大小對膠合木梁的極限承載力和撓度等受彎性能的影響。

1 試驗?zāi)Ｐ团c試驗方法

1.1 材料性能

木梁層板采用重慶本地松木，順紋抗拉強度為52.5MPa，順紋抗壓強度為19.2MPa，彈性模量為8.3GPa;CFRP片材抗拉強度≥2400MPa，彈性模量為170GPa，纖維體積含量≥65%，伸長率≥1.7%;木工膠采用廣州市永特耐木膠貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的木工接著劑。

1.2 試件制作

本試驗共制作5根層板膠合木梁，梁體截面尺寸均為b×h=80mm×130mm（層板厚度為26mm，共5層粘接而成），跨度均為2400mm。CFRP板的厚度為1.4mm，寬度為50mm。試驗?zāi)z合木梁試樣分為未增強木梁、無預應(yīng)力FRP增強木梁以及FRP預應(yīng)力增強木梁三組。第一組木梁不進行任何形式增強，直接由層板膠合而成，作為參照對比梁，編號為B0;第二組木梁為無預應(yīng)力FRP增強木梁，在梁底兩層層板之間全跨順紋膠粘一層無預應(yīng)力CFRP片材，編號為FB1;第三組為FRP預應(yīng)力增強木梁，根數(shù)為3根，分別施加20kN、40kN和60kN的預應(yīng)力，其具體CFRP片材布設(shè)位置、層數(shù)和預應(yīng)力值大小見圖1。

試驗前將木材層板進行晾曬、打磨，使其表面較為平整，易于粘合。制作木梁時，對B0和FB1木梁，在層板或CFRP片材接觸面之間直接涂刷木工膠粘劑進行粘合，并采用壓力裝置持力壓緊養(yǎng)護2～3天。對于YB1～YB3木梁，首先將CFRP片材與木梁層板進行粘合，然后使用千斤頂對CFRP片材進行張拉施加預應(yīng)力，以前述同樣方式養(yǎng)護數(shù)日后，放松CFRP片材兩端的錨固裝置，此時預應(yīng)力已通過膠結(jié)劑的粘接作用留存在膠合木梁中。

1.3 加載試驗

試驗采用三分點加載，在加載過程中采取防止側(cè)向失穩(wěn)措施，施加的荷載經(jīng)荷載傳感器傳給靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)。在支座、四分之一跨處以及跨中共設(shè)置5個位移計，并在梁跨中截面沿高度均勻設(shè)置5片應(yīng)變片，所有量測數(shù)據(jù)均由靜態(tài)應(yīng)變測量系統(tǒng)同步采集。試驗過程采用分級加載，前期以約2kN為一級進行遞增，后期按1kN一級遞增，每級持荷穩(wěn)定2分鐘左右再進行數(shù)據(jù)采集。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)

通過對三組共5根膠合木梁進行了抗彎試驗，得出各根試驗?zāi)z合木梁的抗彎極限承載力和跨中極限撓度的數(shù)值，其具體情況如表1所示。

2.2 結(jié)論分析

根據(jù)試驗結(jié)果，分析得出以下結(jié)論：

（1）經(jīng)FRP預應(yīng)力增強后，膠合木梁的抗彎承載力得到明顯提高，并且隨著預應(yīng)力數(shù)值的增大，增強的效果越明顯。預應(yīng)力增強木梁的極限承載力相比未增強構(gòu)件提高了20.2%一80.6%;而相比非預應(yīng)力增強木梁極限承載力提高了12.5%一69.0%;

（2）通過FRP預應(yīng)力增強后，膠合木梁充分利用了木材的抗壓強度并提高了構(gòu)件的延性變形性能，降低了木材木節(jié)等缺陷對受彎性能的影響，使木梁由受拉脆性破壞變?yōu)檠有缘氖軌呵茐?。預應(yīng)力增強木梁的延性性能相比未增強構(gòu)件提高了91.9%一113.0%;而相比非預應(yīng)力增強木梁極限承載力提高了59.2%一76.6%;

（3）通過試件制作過程中FRP片材放張后伸長量的變化和試件成形后反拱形態(tài)的觀察判斷，采用將FRP片材與木材層板膠合錨固的方式對膠合木梁施加預應(yīng)力，最終預應(yīng)力的損失較大;

（4）相對于抗彎承載力和延性性能的提高，F(xiàn)RP預應(yīng)力增強后，膠合木梁的剛度并未得到有效提高，這可能與預應(yīng)力損失較大有很大關(guān)系。

3 結(jié)語

經(jīng)FRP預應(yīng)力增強后，膠合木梁的抗彎極限承載力和延性性能得到了顯著提高，說明FRP預應(yīng)力增強膠合木梁在木結(jié)構(gòu)中具有良好的發(fā)展前景。但由于試驗條件以及試驗技術(shù)的限制，F(xiàn)RP預應(yīng)力損失過大，膠合木梁剛度未能得到有效增強，這需要在今后的研究中進行更深入地探索。

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