玄武巖纖維布增強(qiáng)木梁抗剪性能試驗(yàn)研究*

楊林 白羽 許進(jìn)飛 常莉 徐榮榮

（1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省工程抗震研究所，云南 昆明 650500）

0 引言

木材具有資源再生周期短、布置靈活、易于裝配、綠色環(huán)保、保溫隔熱性好等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。以木材為主要原材料建造的木結(jié)構(gòu)建筑作為我國(guó)古代主要的傳統(tǒng)建筑形式之一，在我國(guó)具有悠久的發(fā)展歷史?，F(xiàn)今，受經(jīng)濟(jì)條件和環(huán)境的影響，我國(guó)西南地區(qū)部分村落仍然存在大量木結(jié)構(gòu)建筑。除此以外，近年來(lái)許多地方為推廣旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展，修建了大量以木結(jié)構(gòu)為主的古鎮(zhèn)。木梁作為木結(jié)構(gòu)建筑中的重要組成部分，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中容易出現(xiàn)撓度過(guò)大、斷裂等問(wèn)題［3］。因此，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)木梁的受力性能和加固方式展開了一系列的相關(guān)研究。陳愛(ài)軍等［4］通過(guò)對(duì)以東北落葉松為基材經(jīng)膠合后制成的木梁進(jìn)行跨中集中荷載試驗(yàn)，研究了木梁結(jié)構(gòu)類型對(duì)其抗彎剛度的影響，研究結(jié)果顯示，在變形條件相同時(shí)，膠合連續(xù)梁具有更強(qiáng)的抗彎性能。陳伯望等［5］對(duì)木梁試件底部彎剪段粘貼鋼板，通過(guò)與未粘貼鋼板試件進(jìn)行受彎承載力試驗(yàn)對(duì)比，分析了加固后試件的跨中應(yīng)變分布規(guī)律，提出了木梁在三分點(diǎn)受彎試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生受拉破壞及受剪破壞的臨界跨高比。王玉鐲等［6］對(duì)碳纖維加固的速生楊膠合木梁進(jìn)行三分點(diǎn)靜力加載試驗(yàn)，考慮不同配纖率和配纖位置等因素的影響，推導(dǎo)出了梁的極限彎矩理論計(jì)算公式。

玄武巖纖維（Basalt Fiber，簡(jiǎn)稱BF）主要來(lái)源于自然界中的玄武巖礦石，具有耐高溫性、耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是“21世紀(jì)的純天然高性能纖維”［7-8］。本文通過(guò)玄武巖纖維布對(duì)木梁進(jìn)行抗剪加固，通過(guò)與未加固木梁進(jìn)行對(duì)比研究，并使用ABAQUS軟件進(jìn)行模擬分析，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果，最終得出模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，驗(yàn)證了玄武巖纖維布對(duì)提高木梁抗剪極限承載力效果較好。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)選用木材為樟子松，木梁尺寸150 mm×100 mm×2 000 mm，采用在木梁受剪力區(qū)域粘貼玄武巖纖維布的方式對(duì)木梁進(jìn)行加固，粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂，纖維布厚度為1.2 mm，寬度分別為50 mm和100 mm（圖1）。試驗(yàn)前，在每根試件上、前、后3個(gè)面用黑色筆對(duì)試件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并標(biāo)注出試件原有裂縫，網(wǎng)格尺寸為25 mm×25 mm。

圖1 玄武巖纖維布

按照加固使用的玄武巖纖維布寬度和層數(shù)將試件分為5組，每組3根，共15根，其中，第1組不進(jìn)行加固（對(duì)照組）。加固方式有4種，第1種加固方式為：在木梁受剪區(qū)域均勻粘貼4塊寬度為50 mm的玄武巖纖維布，層數(shù)為1層，每塊間隔為10 mm。第2種加固方式為：將方法1中間2塊50 mm寬的纖維布用寬度為100 mm的纖維布替代，纖維布間距為15 mm。第3、4種加固方式為：將方法1、2的纖維布層數(shù)分別改為2層。為防止試驗(yàn)過(guò)程中纖維布崩開，裹敷1層、2層纖維布結(jié)束后的搭接長(zhǎng)度為50 mm。試驗(yàn)方案及編號(hào)見(jiàn)表1，試件第1、2種加固方式見(jiàn)圖2，粘貼后試件如圖3所示。

圖2 第1、2種加固方式（單位：mm）

圖3 加固后木梁

表1 試驗(yàn)方案及編號(hào)

2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用木材為樟子松，按《木材物理力學(xué)試材鋸解及試樣截取方法》（GB/T 1929—2009）［9］和《木材物理力學(xué)方法總則》（GB/T 1928—2009）［10］規(guī)定截取樟子松標(biāo)準(zhǔn)試塊測(cè)定其主要物理性能，部分試塊測(cè)試破壞圖如圖4所示。

圖4 部分試塊測(cè)試破壞情況

本次試驗(yàn)所用樟子松部分物理性能測(cè)定結(jié)果如表2。粘結(jié)劑為環(huán)氧樹脂，玄武巖纖維布和環(huán)氧樹脂材料性能見(jiàn)表3和表4。

表2 樟子松主要性能指標(biāo)

表3 玄武巖纖維布主要性能指標(biāo)

表4 環(huán)氧樹脂主要性能指標(biāo)

3 量測(cè)及加載方案

3.1 量測(cè)方案

1）在木梁兩端受剪區(qū)域內(nèi)各貼一組應(yīng)變花，測(cè)量其橫向、縱向和斜向的應(yīng)變情況。

2）在梁中間位置設(shè)置1個(gè)位移計(jì)，記錄梁跨中撓度變化。

測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 加載點(diǎn)及測(cè)點(diǎn)位置（單位：mm）

3.2 加載方案

試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)作為加載設(shè)備，加載方式采用分配梁兩點(diǎn)集中加載。在正式試驗(yàn)加載前需對(duì)試件進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加荷載值P0=1 kN，后繼續(xù)加載至P1=7 kN，記錄荷載從P0遞增至P1時(shí)相應(yīng)的撓度值，再卸載到P0，反復(fù)進(jìn)行5次，觀察記錄試件撓度無(wú)明顯異常后即可正式開始試驗(yàn)。正式試驗(yàn)采用逐級(jí)加載的方式進(jìn)行加載，加載速度為2.4 kN/min，荷載等級(jí)為15 kN/級(jí)，每一級(jí)荷載加載完成后停頓1 min，待觀察記錄試件裂縫擴(kuò)展情況后進(jìn)入下一級(jí)加載。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

1）ML-A0組木梁。對(duì)照組試件無(wú)玄武巖纖維布加固。該組試件加載初期，其前后表面均無(wú)明顯試驗(yàn)現(xiàn)象。當(dāng)加載至20 kN時(shí)，僅試件上表面加載處和下表面支撐處產(chǎn)生了微小的凹陷，有輕微的破壞，且伴有細(xì)微的斷裂聲。隨著荷載不斷增大，斷裂聲一直持續(xù)，且試件上表面加載處與下表面支撐處凹陷越來(lái)越明顯。試件破壞后，3根試件均在其中性層附近產(chǎn)生了1條或多條沿順紋方向的裂縫，且裂縫均一直延伸至試件端部。除試件ML-A0-1外，其余2根試件端部還發(fā)生了不同程度的不規(guī)則炸裂。破壞情況如圖6所示。

圖6 ML-A0組試件破壞情況

2）ML-A1組木梁。該組試件在受剪區(qū)域內(nèi)均勻粘貼4塊寬度為50 mm的1層玄武巖纖維布，每塊間隔為10 mm。在試件加載初期，3根試件均無(wú)明顯試驗(yàn)現(xiàn)象。當(dāng)加載至約25 kN時(shí)，試件上表面加載處和下表面支撐處纖維布發(fā)生了微小的凹陷，有輕微的破壞，且伴有細(xì)微的斷裂聲。隨著荷載不斷增大，斷裂聲一直持續(xù)，試件上表面加載處與下表面支撐處凹陷越來(lái)越明顯，并且出現(xiàn)了不同程度的破壞。試件破壞后，所有試件中性層附近均產(chǎn)生若干條沿木梁順紋方向的細(xì)微裂縫，且試件端部均有不規(guī)則的炸裂現(xiàn)象。除此以外，ML-A1-2試件在其上表面加載處附近產(chǎn)生了一條與水平方向大約成30°夾角的裂縫，為明顯的斜向剪切破壞，這是因?yàn)樵诹芽p中間有一明顯的木結(jié)疤，而木材強(qiáng)度對(duì)原始裂縫、結(jié)疤等處產(chǎn)生的應(yīng)力集中十分敏感造成的。

3）ML-A2組木梁。該組試件在受剪區(qū)域內(nèi)均勻粘貼1層2塊寬度為50 mm和1塊寬度為100 mm玄武巖纖維布，每塊間隔為15 mm。試件加載初期，試驗(yàn)現(xiàn)象和ML-A1組相似。試件破壞后，所有試件均在其受剪部位產(chǎn)生若干條裂縫并貫穿至試件端部，且試件端部均有明顯的炸裂現(xiàn)象。其中，試件MLA2-1和試件ML-A2-2主要發(fā)生沿順紋方向的剪切破壞。ML-A2-2試件在其受剪部位還產(chǎn)生一條與梁順紋方向大約成45°角的裂縫，為明顯的斜向剪切破壞。

4）ML-B1組木梁。該組試件在受剪區(qū)域內(nèi)均勻粘貼4塊寬度為50 mm的2層玄武巖纖維布，每塊間隔為10 mm。試件加載初期，試驗(yàn)現(xiàn)象和ML-A1組相似。試件破壞后，試件ML-B1-1和試件MLB1-3中性層附近均產(chǎn)生了若干條沿木梁順紋方向的裂縫，并延伸至試件端部，為明顯的順紋剪切破壞。試件ML-B1-2在其上部加載處附近區(qū)域還產(chǎn)生了一條沿橫紋方向的裂縫，呈現(xiàn)明顯的橫紋剪切破壞。

5）ML-B2組木梁。該組試件在受剪區(qū)域內(nèi)均勻粘貼2層2塊寬度為50 mm和1塊寬度為100 mm玄武巖纖維布，每塊間隔為15 mm。試件加載初期，試驗(yàn)現(xiàn)象和ML-A1組相似。試件破壞后，試件MLB2-1和試件ML-B2-2在其中性層附近產(chǎn)生了一條沿木材順紋方向的裂縫，呈現(xiàn)明顯的順紋剪切破壞。試件ML-B2-3則是在其加載區(qū)域附近產(chǎn)生了一條垂直于順紋方向的裂縫，且在裂縫下端有明顯的炸裂趨勢(shì)。

除上述試驗(yàn)現(xiàn)象外，在試件破壞后，部分加固試件在加載處和支撐處纖維布和試件還發(fā)生了不同程度的分離，其余部分粘貼完好。部分試件破壞情況如圖7所示。

圖7 部分試件破壞情況

4.2 木梁抗剪極限承載力分析

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到各組試件抗剪極限承載力數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 梁極限承載力數(shù)據(jù)

由表5中數(shù)據(jù)可得，采用玄武巖纖維布加固木梁能有效提高木梁抗剪極限承載力，但不同加固形式提升幅度有所差異，不同加固形式下加固效果見(jiàn)表6。

表6 不同加固形式效果對(duì)比

由表6可知，當(dāng)加固層數(shù)為1層時(shí)，試件組MLA1、ML-A2的極限承載力平均值分別比對(duì)照組MLA0提升了19.24%和22.61%。當(dāng)加固層數(shù)為2層時(shí)，試件組ML-B1、ML-B2的極限承載力平均值分別比對(duì)照組ML-A0提升了37.58%和41.58%。對(duì)比結(jié)果可知，采用2層纖維布加固木梁的效果要比采用1層纖維布效果更佳，平均提升18.65%左右。除此以外，對(duì)比方法1、2的加固效果和方法3、4的加固效果可知，在纖維布層數(shù)和厚度相同的情況下，采用改變纖維布寬度的方式也能提高木梁抗剪極限承載力，當(dāng)加固使用的玄武巖纖維布越寬，其對(duì)木梁抗剪極限承載力提升效果越好。

4.3 荷載-撓度曲線分析

各組木梁試件荷載-撓度曲線如圖8所示。根據(jù)圖8可知，試件在加載過(guò)程中的位移-撓度曲線分為直線段和曲線段，即彈性階段和屈服階段。試件加載初期，荷載-撓度曲線為直線，試件處于彈性階段，試件撓度隨荷載的增加呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。當(dāng)試件屈服時(shí)，試件撓度增長(zhǎng)明顯變快，這是由于進(jìn)入屈服段后，木材內(nèi)部纖維素分子鏈發(fā)生較大的相對(duì)滑動(dòng)造成木材密度比減小，即試件剛度減小造成的。加固后的木梁荷載-撓度曲線中直線段要比未加固木梁略長(zhǎng)，且斜率更大，即加固木梁比未加固木梁擁有更大的剛度。除此以外，從圖8可知，加固后的木梁比未加固木梁有著更好的延性。

圖8 荷載-撓度曲線

5 數(shù)值模擬

建立ABAQUS有限元模型進(jìn)行分析，相比試驗(yàn)不僅經(jīng)濟(jì)成本更低，還能更加深入的研究試件的破壞機(jī)理。通過(guò)對(duì)比模擬分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，能有效驗(yàn)證試驗(yàn)分析和理論分析的可靠性，從而滿足實(shí)際工程的需求。

5.1 材料屬性參數(shù)設(shè)置

本次模擬的木材材料屬性由木材材料性能測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，部分力學(xué)參數(shù)由相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行合理選取，具體參數(shù)取值見(jiàn)表7。玄武巖纖維布主要由玄武巖纖維絲編制而成，在其纖維布平面內(nèi)有極大的抗拉強(qiáng)度，但幾乎沒(méi)有抗彎和抗折強(qiáng)度［11］，其彈性模量主要取其應(yīng)力應(yīng)變直線段的斜率。

表7 樟子松屬性參數(shù)

5.2 模型建立

在本次模擬中，木材為典型的各向異性材料，因此在賦予材料屬性時(shí)需指派材料方向來(lái)指定木梁順、橫紋方向。其中，木梁采用C3D8R（減縮積分，沙漏控制）作為基本單元。玄武巖纖維布采用S4R（減縮積分，沙漏控制，有限膜應(yīng)變）作為基本單元，玄武巖纖維布與木梁的接觸方式為表面-表面接觸，相互作用屬性為粘性行為。

5.3 分析結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比

通過(guò)對(duì)5組試驗(yàn)中的5個(gè)模型進(jìn)行模擬分析，得到每個(gè)模型的變形云圖如圖9—圖12所示。

圖9 ML-A1組應(yīng)力云圖

圖12 ML-B2組應(yīng)力云圖

圖10 ML-A2組應(yīng)力云圖

圖11 ML-B1組應(yīng)力云圖

對(duì)比ABAQUS模擬計(jì)算值與試驗(yàn)值見(jiàn)表8。通過(guò)對(duì)加固梁的ABAQUS計(jì)算值和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了大型通用有限元軟件ABAQUS同樣可以模擬木結(jié)構(gòu)計(jì)算。

表8 計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)15根樟子松木梁試件進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，通過(guò)觀察試驗(yàn)現(xiàn)象和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要有以下結(jié)論：

1）玄武巖纖維布能有效增強(qiáng)木梁抗剪極限承載能力，本次試驗(yàn)中采用的方法1、2兩種加固木梁的方式相比未加固木梁，其抗剪極限承載能力分別提升了19.24%和22.61%。

2）采用100 mm寬纖維布的增強(qiáng)效果比50 mm寬纖維布增強(qiáng)效果略好。同時(shí)，使用2層纖維布對(duì)木梁抗剪極限承載能力的提升效果比使用1層纖維布效果更加明顯，同比平均提升18.65%。

3）玄武巖纖維布加固木梁能有效提高木梁剛度。除此以外，使用玄武巖纖維布加固對(duì)木梁延性也有一定的提升效果。

4）通過(guò)ABAQUS建立玄武巖纖維加固木梁三維足尺模型，對(duì)比ABAQUS模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了有限元軟件ABAQUS可以模擬木結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算。