木材橫紋抗拉力學(xué)性能改善方法試驗研究

劉應(yīng)揚 聶熙哲 黎 章 張?zhí)忑R 徐 勇

（鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州450001）

0 引 言

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)發(fā)展迅速，為中國建筑產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供了可行的解決方案。首先，木材是環(huán)境友好的綠色材料，每生產(chǎn)1 t 鋼材、水泥釋放的二氧化碳（CO2）分別相當于0.6 t、0.3 t標準煤產(chǎn)生的CO2，而1 t 木材在生長期內(nèi)可吸收0.7 t 標準煤產(chǎn)生的CO2［1］；其次，木材是良好的保溫材料，較混凝土、砌體和鋼材，可有效降低建筑物在使用階段的能源消耗；再次，木結(jié)構(gòu)施工全裝配化，施工設(shè)備更為輕便，大幅縮短現(xiàn)場施工工期并減少對周邊環(huán)境的影響；最后，木質(zhì)房屋具有自然、舒適、宜居的天然屬性。因此，木材作為結(jié)構(gòu)用材，部分替代混凝土、砌體和鋼材從產(chǎn)業(yè)鏈上減少對水、空氣和能源的不利影響和減少碳排放，從而帶來良好的環(huán)境效益。

木材作為成簇纖維組成的材料，橫紋方向的強度較弱，尤其以橫紋抗拉強度為甚，在工程設(shè)計中一般不考慮該方向的強度［2］。然而，無論是傳統(tǒng)的榫卯連接，還是現(xiàn)代輔以金屬件的連接形式，在節(jié)點區(qū)域內(nèi)總不可避免地出現(xiàn)橫紋方向的拉應(yīng)力，這成為結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)［3］。因此，有學(xué)者對木結(jié)構(gòu)的橫紋加固方法進行了試驗和理論研究，加固方法包括FRP 布加固、設(shè)斜撐法、嵌縫加箍法、自攻螺釘加固等。Brunner 等［4］和楊會峰等［5］進行了CFRP布加固膠合木梁的試驗，試驗表明，加固后梁的抗彎剛度和承載力均有所提高；姬卓［6］研究了CFRP 布不同粘貼方式和層數(shù)對木梁的 加 固 效 果；César Echavarría 等［7］采 用CFRP、GFRP、金屬板、竹纖維等加固膠合木梁，比較了不同材料加固木梁對于最大承載力和剛度的提高程度；祝恩淳等［8］通過對60 個采用國產(chǎn)圓釘制作的輕型木結(jié)構(gòu)，研究了其剛度退化和承載力變化規(guī)律；徐天琦等［9］針對鋼填板-螺栓膠合木梁-柱連接節(jié)點易發(fā)生木材橫紋劈裂脆性破壞的問題，提出在鋼填板上下端增設(shè)翼緣以降低木材橫紋拉應(yīng)力或約束木材橫紋裂縫擴展。綜合國內(nèi)外現(xiàn)狀，針對木材橫紋力學(xué)性能的研究多集中在整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件性能的改善上，較少涉及木材橫紋抗拉性能的基本測試方法，即小清樣試件（Small Clear Specimens）受拉試驗［10］。為此，本文設(shè)計木材小清樣試件，考慮了植入自攻螺釘、FRP 布包裹、植入順紋木榫、植入單自攻螺釘加FRP 布包裹組合方式的加固方法，通過小清樣試件的受拉試驗來研究木材橫紋抗拉性能的改善方法。

1 試驗概況

試驗共設(shè)計了7組試件，a組為對照組，b組為植入單自攻螺釘加固組，c 組為植入雙自攻螺釘加固組，d 組為植入三自攻螺釘加固組，e 組為FRP 布包裹加固組，f組為植入順紋木榫加固組，g組為植入單自攻螺釘加FRP 布包裹組合方式加固組，試件設(shè)計概況如表1 所示。試件設(shè)計參考美國ASTM D143 標準［10］，材料采用中國白松。試件設(shè)計的目的是：①研究木材橫紋受拉的破壞機制；②探索并總結(jié)木材的加固方法及流程；③對比對照組和加固組的力學(xué)性能指標，分析各方法的差異。

表1 試件設(shè)計概況Table 1 Overview of specimen design

1.1 試件設(shè)計

1.1.1 對照組

對照組為未加固試件，試件尺寸為63 mm×50 mm×50 mm（長×寬×高），如圖1 所示。其余各組木構(gòu)件幾何尺寸采用相同的設(shè)計。需要特別指出的是，本文為初步探索性試驗，試件尺寸相對較小，并未考慮木材的截面尺寸效應(yīng)［11］。

圖1 試件設(shè)計詳圖（單位：mm）Fig.1 Details of specimen design（Unit：mm）

1.1.2 植入自攻螺釘加固組

本組試件加固沿木構(gòu)件橫紋方向植入自攻螺釘，考慮了自攻螺釘數(shù)量的變化對木構(gòu)件加固效果的影響，分別植入單個自攻螺釘、兩個自攻螺釘以及三個自攻螺釘。自攻螺釘設(shè)置的邊距和孔距參考了相關(guān)規(guī)范［3］和文獻［12］，各組自攻螺釘?shù)牟贾萌鐖D2所示，自攻螺釘參數(shù)如表2所示。

圖2 螺釘布置圖（單位：mm）Fig.2 Layouts of self-tapping screws（Unit：mm）

1.1.3 FRP布包裹加固組

本組試件加固采用FRP 布環(huán)繞包裹的方法，包裹的方法和設(shè)置原則參考了相關(guān)研究文獻［13-14］。采用一層FRP 布進行包裹，接頭處搭接長度為L/10（環(huán)繞包裹試件一圈長度為L），寬度為6 mm。選用的FRP 布的材性如表3 所示。加固流程如下：①對試件棱角邊進行打磨并清除試件上灰塵、木屑；②將FRP 布進行裁剪并確定其粘貼位置；③用環(huán)氧樹脂膠在試件外表面涂抹均勻并用FRP布進行包裹，養(yǎng)護至膠體完全固化。

表2 自攻螺釘材料參數(shù)Table 2 Material parameters of self-tapping screws

表3 FRP布材料參數(shù)Table 3 Material parameters of FRP

1.1.4 植入順紋木榫加固組

本組試件加固沿木構(gòu)件橫紋方向植入順紋木榫，木榫為直徑8 mm 的圓柱體，其主要加固流程如下：①確定試件表面中心位置并鉆孔，孔直徑為9 mm 且貫穿整個試件，然后清除孔內(nèi)細屑；②植入順紋木榫并用環(huán)氧樹脂填充空隙；③將突出試件表面的木榫用砂紙打磨，使試件表面保持光滑平整，便于加載。試件制作如圖3所示。

圖3 植入順紋木榫加固組Fig.3 Reinforcement group with inserting wooden tenon parallel to grain

1.1.5 植入單自攻螺釘加FRP 布包裹的組合方式加固組

本組試件加固在植入單個自攻螺釘試件的基礎(chǔ)上，再采用FRP 布包裹的加固方法。其主要加固流程如下：①采用單個自攻螺釘植入試件并貫穿整個試件；②將試件棱角處打磨成弧形；③用FRP布對試件進行包裹。試件制作如圖4所示。

1.2 試驗裝置及加載制度

試驗采用萬能試驗機進行加載，其加載量程為0～100 kN，同時設(shè)計鋼夾具與試驗機連接進行加載，如圖5（a）所示。夾具分為上、下兩部分：上部為拉-壓力轉(zhuǎn)換裝置，如圖5（b）所示。設(shè)置壓力傳感器采集試驗荷載；下部為木構(gòu)件夾具，并在其兩翼各裝配有一個位移傳感器，采集試驗中木構(gòu)件的變形數(shù)據(jù)，如圖5（c）所示。試驗加載速度采用2.5 mm/min，加載至承載力顯著下降（下降至極限荷載的80%）或構(gòu)件出現(xiàn)明顯破壞為止［14］。試驗過程中測得試件含水率為12%～14%。

圖4 植入單自攻螺釘加FRP布包裹組合方式加固組Fig.4 Reinforcement group with inserting single selftapping screw and wrapping with FRP

圖5 試件裝置Fig.5 Specimen device

2 試驗現(xiàn)象及破壞模式

2.1 對照組

在加載初期試件處于彈性工作階段，試件無明顯變形。隨著荷載增大，試件出現(xiàn)噼啪聲并開始產(chǎn)生細微裂縫，裂縫從試件一側(cè)出現(xiàn)并迅速向另一側(cè)發(fā)展，隨后試件從中部斷裂，試驗終止。對照組試件的破壞現(xiàn)象如圖6所示。

圖6 對照組試件破壞現(xiàn)象Fig.6 Failure phenomena for specimens of comparison group

2.2 植入自攻螺釘加固組

單自攻螺釘加固組試件在進行試驗時，加載初期試件并無明顯變形。隨著荷載增加，出現(xiàn)噼啪的響聲且裂縫開始出現(xiàn)，但出現(xiàn)時間較對照組有所推遲。裂縫從兩側(cè)出現(xiàn)并向試件中心區(qū)域發(fā)展，在裂縫形成貫穿時，由于自攻螺釘?shù)膬?nèi)置拉緊作用，試件并未完全分裂成為兩部分，試件破壞后，斷口與未加固組試件斷口相同。破壞現(xiàn)象如圖7（a）所示。雙、三自攻螺釘加固組試驗現(xiàn)象與單自攻螺釘加固組試驗現(xiàn)象基本相同，但裂縫出現(xiàn)時間與單自攻螺釘加固組相比更為推遲，裂縫延伸速度變緩。試件破壞現(xiàn)象如圖7（b）、圖7（c）所示。

圖7 植入自攻螺釘加固組破壞現(xiàn)象Fig.7 Failure phenomenon for reinforcement group with self-tapping screws

2.3 FRP布包裹加固組

初期加載時試件發(fā)出輕微的噼啪響聲，結(jié)構(gòu)膠出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。隨著荷載增加，試件從一側(cè)出現(xiàn)裂縫向另一側(cè)緩慢延伸，荷載增加到一定值時裂縫發(fā)展完畢。加載后期試件噼啪響聲增大，F(xiàn)RP布被拉斷且試件被破壞。試件破壞現(xiàn)象如圖8所示。

2.4 植入順紋木榫加固組

試驗加載初期時試件處于彈性階段，出現(xiàn)輕微的噼啪聲但試件外觀沒有出現(xiàn)明顯變化。裂縫從兩側(cè)出現(xiàn)向試件中部延伸。裂縫發(fā)展完畢時木塊中部裂縫處出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，表現(xiàn)出與自攻螺釘加固組類似的現(xiàn)象。荷載增加到一定值時木榫拉出，試件破壞，破壞現(xiàn)象如圖9所示。

圖8 FRP布包裹加固組破壞現(xiàn)象Fig.8 Failure phenomenon for reinforcement group with FRP wrapping

圖9 植入順紋木榫加固組破壞現(xiàn)象Fig.9 Failure phenomenon for reinforcement group with inserting wooden tenon parallel to grain

2.5 植入單自攻螺釘加FRP 布包裹組合方式加固組

加載初期時木塊出現(xiàn)噼啪響聲且外部包裹的結(jié)構(gòu)膠出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。隨著荷載增加，木塊持續(xù)發(fā)出響聲，裂縫從試件兩側(cè)出現(xiàn)向中部延伸。加載后期聲響變大，當荷載達到一定值時，F(xiàn)RP布被拉斷同時自攻螺釘被拉出，試件完全破壞。破壞現(xiàn)象如圖10所示。

圖10 植入單自攻螺釘加FRP布包裹組合方式加固組破壞現(xiàn)象Fig.10 Failure phenomena for reinforcement group with inserting single self-tapping screw and wrapping

3 試驗結(jié)果與力學(xué)性能參數(shù)分析

3.1 試驗結(jié)果

各試件組的荷載—位移曲線如圖11 所示，曲線中的荷載由壓力傳感器測得，位移由鋼夾具兩側(cè)的位移傳感器測得。

分析試件的荷載—位移曲線可知：

（1）對照組與加固組試件的荷載—位移曲線均經(jīng)歷了線性階段。加固組試件對比對照組試件在荷載作用下有明顯的屈服階段與破壞階段，其剛度、承載力和延性都有明顯提高。

（2）試件在線性階段表現(xiàn)出良好的一致性；在破壞階段具有一定的離散性，離散性來源于木材材料性能的隨機性。

（3）a 組部分試件的破壞階段中荷載出現(xiàn)急劇下降，表現(xiàn)出脆性破壞的特征；c 組、d 組、e 組、f組和g組試件表現(xiàn)出一定的延性；e組試件在木材破壞后FRP 布繼續(xù)承載，曲線表現(xiàn)出一定的強化現(xiàn)象。

3.2 力學(xué)性能參數(shù)分析

峰值荷載PP對應(yīng)試件荷載—位移曲線中最大承載力，其對應(yīng)的位移ΔP為峰值位移。以80%PP對應(yīng)位移為極限位移Δu，參考相關(guān)規(guī)范及文獻［15-16］，以0.4PP作為屈服荷載Py，其對應(yīng)的位移為屈服位移Δy，以0.4PP與0.1PP連線斜率作為彈性剛度（已消除初始滑移影響）。延性系數(shù)D定義為極限位移Δu與屈服位移Δy的比值。試件的主要力學(xué)性能參數(shù)如表4所示。

分析表4中主要力學(xué)性能參數(shù)可以得出：

（1）植入單自攻螺釘加固組（b 組）的剛度為6.23 kN/mm，相比于對照組（a 組）的剛度提高了33%。自攻螺釘在木材中具有內(nèi)置拉緊作用，在一定程度上提高了試件的剛度，同時也可以抑制裂縫的開展。b 組試件的承載力為2.05 kN，相比于a組試件的承載力提高了17%，b組延性相對于a 組提高了50%。由上述數(shù)據(jù)可以看出，植入單自攻螺釘?shù)募庸谭椒▽ζ鋭偠?、承載力和延性都有提升，同時該加固方法操作簡便，便于在實際結(jié)構(gòu)中實施。

（2）植入雙自攻螺釘加固組（c 組）的剛度為6.35 kN/mm，相比于a 組的剛度提高了35%。對比b 組試驗，自攻螺釘數(shù)量的增加，剛度并未得到顯著的提升。從觀察到的破壞現(xiàn)象與破壞后的試件斷面可知，這是由于植入的兩個自攻螺釘距離較近，過度削弱了木材的纖維構(gòu)造。因此，在木構(gòu)件加固中自攻螺釘較密，反而會削弱構(gòu)件的承載力。c 組試件的承載力為2.23 kN，相比于對照組（a 組）承載力提高了28%，其延性相對于a 組提高了526%。從試驗現(xiàn)象可知，該試件破壞時裂縫從兩側(cè)出現(xiàn)向試件中心區(qū)域發(fā)展，裂縫延伸速度變緩甚至停止，經(jīng)過一段時間突然斷裂，這是由于裂縫發(fā)展到兩個自攻螺釘處，自攻螺釘有效地抑制了裂縫的發(fā)展。

圖11 試件荷載-位移曲線Fig.11 Load-displacement curve of specimens

（3）植入三自攻螺釘加固組（d 組）的剛度為6.43 kN/mm，相比于a 組的剛度提升了37%，與c組基本一致。d 組的承載力為3.38 kN，相比于a組承載力增加了94%，較c 組提高了52%。d 組試件延性為5.97，相對于a 組分別提升了320%，但d組的延性低于c 組。從破壞的試件分析發(fā)現(xiàn)，自攻螺釘數(shù)量增加雖然提高木構(gòu)件的剛度和承載力，但仍應(yīng)保證一定的間距，使其作用充分發(fā)揮。

（4）FRP 布包裹加固組（e 組）的承載力為2.36 kN，比a組試件承載力提高了36%，由于其外部碳纖維布對其包裹拉緊作用，增強其承載力。e組試件延性為3.78，相比于a 組提升了168%，該加固組的延性提高，這是因為FRP 布在構(gòu)件外部形成包裹層，在木構(gòu)件達到極限出現(xiàn)裂縫后，F(xiàn)RP布作為第二道防線繼續(xù)承載。

（5）植入順紋木榫加固組（f 組）剛度為5.09 kN/mm，其剛度比a 組試件提升了8%，順紋木榫與自攻螺釘類似有一定的內(nèi)置拉緊作用［17］，所以初期對試件剛度有所增強。f 組試件最大承載力為3.07 kN，其最大承載力比a 組試件提升76%。f組延性為3.68，相對于a 組提升了161%。木材順紋方向的強度遠大于橫紋方向的強度，以順紋木榫修復(fù)，加固木材橫紋方向力學(xué)性能具有可行性。在“以木修木”“修舊如舊”等對加固修復(fù)材料有嚴格限制的工程中，該類方法具有一定的優(yōu)勢。

圖12屈服點確定方法Fig.12 Method for comfirming yield point

表4 試件主要力學(xué)性能參數(shù)Table 4 Mechanical performance parameters

（6）植入單自攻螺釘加FRP 布包裹組合方式加固組（g 組）的剛度為3.44 kN/mm，是a 組的73%。g組最大承載力為2.79 kN，比a組試件最大承載力上升了60%，比FRP 布包裹試件最大承載力上升了18%，比垂直加入單個自攻螺釘試件最大承載力上升了36%，說明此加固方法可以有效改善試件的承載能力。g組延性系數(shù)為6.12，相對于a 組提升了334%。該組試件說明植入自攻螺釘與FRP 布包裹兩種方法可以兼容，但加固效果并不是簡單的線性疊加。

4 結(jié) 論

本文針對42 個小清樣進行了橫紋受拉試驗，考慮了4 種加固方法，基于試驗現(xiàn)象的觀察以及試驗數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論：

（1）植入自攻螺釘加固、FRP 布包裹加固、植入順紋木榫加固、植入單自攻螺釘加FRP 布包裹組合方式加固4 種加固方法均有效地改善了木材橫紋方向受拉性能。試驗中試件的開裂得到了有效地抑制，剛度、承載力和延性均有所提升。

（2）植入自攻螺釘時，螺釘?shù)臄?shù)量、間距均會影響木材橫紋方向的性能。在工程實踐中，自攻螺釘位置臨近木材邊緣、布置過密，會在一定程度削弱木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其延性、承載力降低。

（3）FRP 布包裹加固后試件的承載力、延性等力學(xué)性能得到增強，外包FRP 布加固可以有效抑制節(jié)點裂縫開展，并作為構(gòu)件失效過程中的第二道防線。

（4）植入順紋木榫對其剛度、承載力與延性都有提升；雖然相對其他組的改善程度較弱，但在“以木修木”“修舊如舊”等對加固修復(fù)材料有嚴格限制的工程中，該類方法具有一定的優(yōu)勢。FRP布包裹與自攻螺釘植入兩種方法可以兼容，工程中宜綜合運用。