纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固木梁的性能研究

國(guó)內(nèi)外對(duì)木梁加固的研究主要集中在兩個(gè)方面。其中之一是如何改進(jìn)木梁加固材料和加固方法，以便工程應(yīng)用和更好的性能[1.3]。另一方面，它如何加固木梁的性能，接近木梁的實(shí)際性能。本文主要集中于對(duì)前者的探討。加固材料的研究主要經(jīng)歷了金屬板材、預(yù)應(yīng)力金屬板材、預(yù)應(yīng)力鋼索和各種復(fù)合材料片材[5~7];加固方式主要分為將加固材料粘貼于木梁或glulam梁的受拉區(qū)底部、受拉區(qū)側(cè)部和受拉區(qū)內(nèi)部3種。采用復(fù)合材料加固木梁具有便于施工、節(jié)約勞動(dòng)力、可有效防止木材腐蝕破壞等特點(diǎn),本文取FRP作為加固材料。目前運(yùn)用FRP加固木梁的研究存在以下不足:(1)現(xiàn)有的加固方式主要將加固材料設(shè)置于木梁或glulam梁的受拉區(qū),很少有分析在受壓區(qū)設(shè)置加固材料對(duì)木梁承載力的影響;(2)很少同時(shí)反映加固材料的數(shù)量、類型對(duì)加固木梁抗彎性能的影響。據(jù)此,本文主要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究:(1)將CFRP和GFRP兩種材料分別設(shè)置于木梁受拉區(qū),分析受拉區(qū)加固材料數(shù)量和類型對(duì)加固木梁的抗彎性能的影響;(2)在木梁的受拉區(qū)和受壓區(qū)同時(shí)設(shè)置加固材料,分析受壓區(qū)加固材料對(duì)木梁承載力的影響;(3)在木梁的純彎區(qū)橫向纏繞FRP材料,分析橫向約束作用對(duì)木梁承載力的影響。1試驗(yàn)總結(jié)1.1試驗(yàn)方法及過(guò)程木柱選用材料采用樟子松,選用同一批次的木材,購(gòu)買后繼續(xù)儲(chǔ)藏在實(shí)驗(yàn)室半年,再進(jìn)行加工。纖維布采用由南京玻璃纖維研究院提供的CFW200、EGFW43和EWR200-100,樹脂采用該院提供的建筑結(jié)構(gòu)智能膠LICA100。由于主要采用手工操作,根據(jù)加工時(shí)的天氣和現(xiàn)場(chǎng)操作方便的需求,將纖維的體積含量嚴(yán)格控制為Vf=0.3。在試驗(yàn)加固木梁的性能之前,在以相同存放環(huán)境中的原木梁中切取20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)小試件,分別用以測(cè)量木材的含水率、彈性模量、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。每個(gè)性能參數(shù)取5個(gè)小試件進(jìn)行測(cè)定,試驗(yàn)方法按照GB/T1927-1991《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法》執(zhí)行。采用和加固木梁同時(shí)制作的小試件分別測(cè)定FRP加固材料的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和彈性模量,所有加固材料小試件的制作及試驗(yàn)方法均按照GB/T1446-2005《纖維增強(qiáng)塑料性能試驗(yàn)方法總則》、GB/T1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》和《纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》執(zhí)行[11~13]。所有試驗(yàn)均在南京工業(yè)大學(xué)重點(diǎn)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室的萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上完成,各性能試驗(yàn)值見表1所示。1.2frp加固木梁的設(shè)計(jì)根據(jù)GB/T50329-2002《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定,本文試件采用矩形截面簡(jiǎn)支梁,梁的跨高比為18:1,木梁的尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)1900mm,寬50mm,高100mm。為研究受拉區(qū)加固層的類型、受拉區(qū)加固層的層數(shù)、受壓區(qū)加固層的位置、受壓區(qū)與受拉區(qū)加固層的數(shù)量比和純彎區(qū)橫向纏繞加固層的層數(shù)5種參數(shù)對(duì)加固效果的影響,本文共設(shè)計(jì)了12組FRP加固木梁,每組3根。加固層的寬度與木梁的寬度相同,長(zhǎng)度為梁的跨度每端向里縮進(jìn)50mm,設(shè)置于側(cè)部的加固材料的高度為梁高度的1/3,具體加固方式和參數(shù)設(shè)計(jì)見表2和圖1~圖4所示。為了防止FRP發(fā)生剝離破壞,所有木梁在彎剪區(qū)均采用U形箍對(duì)受拉區(qū)加固層進(jìn)行錨固。1.3變形裝置及測(cè)點(diǎn)位置如圖5所示,采用三分點(diǎn)加載,支座到加載點(diǎn)以及加載點(diǎn)之間的距離均為600mm。在支座、加載點(diǎn)下方以及跨中共設(shè)置5個(gè)位移計(jì),應(yīng)變片的位置及手持式應(yīng)變儀的測(cè)點(diǎn)位置見圖5所示。試件撓度采用在支座及跨中位置設(shè)置位移計(jì)的方法進(jìn)行測(cè)定,位移計(jì)的測(cè)點(diǎn)位置以及加載裝置分別見圖5和圖6所示。應(yīng)變片、位移計(jì)和傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)均由DH3818靜態(tài)應(yīng)變儀采集。2加固層對(duì)木梁承載力的影響從破壞形態(tài)上來(lái)看,在未加固木梁中,構(gòu)件強(qiáng)度一般由受拉區(qū)木材的強(qiáng)度控制,破壞時(shí)受壓區(qū)木材未達(dá)到其極限強(qiáng)度;在FRP加固木梁中,雖然在木梁缺陷等薄弱部位出現(xiàn)了損傷和開裂,但由于增強(qiáng)材料的存在使得此處的部分拉力迅速轉(zhuǎn)移到鄰近膠層及FRP中,木梁將繼續(xù)承載,受壓區(qū)破壞表現(xiàn)為木纖維褶皺,這說(shuō)明受壓區(qū)木材得到了較為充分的利用。圖7為木梁荷載與撓度關(guān)系曲線圖,表3給出了所有加固木梁受彎極限荷載的試驗(yàn)值。試驗(yàn)結(jié)果表明,木梁采用FRP加固后的承載力和變性能力均得到提高,提高的幅度與加固層的層數(shù)、加固層的類型以及加固方式有關(guān)。由試件W-1、W-2、W-3、W-4的試驗(yàn)結(jié)果比較可得,加固木梁的受彎承載力隨受拉區(qū)加固層層數(shù)的增加而增加,其中受拉區(qū)粘貼1層CFRP使木梁承載力提高達(dá)30.61%,粘貼2層CFRP使木梁承載力提高達(dá)57.78%,粘貼3層CFRP可使木梁承載力提高達(dá)77.27%。由試件W-2和W-5的試驗(yàn)結(jié)果比較、W-3和W-6的試驗(yàn)結(jié)果比較可得,采用CFRP加固木梁承載力的提高幅度大于采用GFRP的,其中受拉區(qū)粘貼1層GFRP使木梁承載力提高達(dá)17.69%,受拉區(qū)粘貼2層GFRP使木梁承載力提高達(dá)33.26%。以上試驗(yàn)結(jié)果比較表明,加固木梁的受彎承載力隨受拉區(qū)加固層層數(shù)的增加而增加,在加固層層數(shù)相同的情況下,采用CFRP加固的效果優(yōu)于采用GFRP的。試件W-3、W-7、W-9和試件W-4、W-8、W-102組的試驗(yàn)結(jié)果表明,在試件的受壓區(qū)設(shè)置加固層后試件的抗彎承載力得到提高,其中受拉區(qū)設(shè)置2層CFRP、受壓區(qū)頂部粘貼1層CFRP的試件承載力提高59.96%,受拉區(qū)設(shè)置3層CFRP、受壓區(qū)頂部粘貼1層CFRP的試件承載力提高78.97%;受拉區(qū)設(shè)置2層CFRP、受壓區(qū)側(cè)部粘貼1層CFRP的試件承載力提高62.51%,受拉區(qū)設(shè)置3層CFRP、受壓區(qū)側(cè)部粘貼1層CFRP的試件承載力提高79.55%。由試件W-7、W-9和試件W-8、W-10的試驗(yàn)結(jié)果表明,加固層設(shè)置于受壓區(qū)側(cè)部較設(shè)置于受壓區(qū)頂部效果好。以上結(jié)果比較表明,在木梁受壓區(qū)設(shè)置加固層可提高木梁的承載力,但提高的幅度不大,提高的幅度與受壓區(qū)加固層的粘貼位置有關(guān),加固層粘貼于受壓區(qū)側(cè)部的效果優(yōu)于粘貼于受壓區(qū)頂部的。通過(guò)比較試件W-4、W-11、W-12的試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到,木梁受拉區(qū)加固層層數(shù)相同時(shí),在木梁純彎區(qū)橫向纏繞加固層可提高木梁的抗彎承載力,效果明顯優(yōu)于其他幾種情況,且抗彎承載力隨橫向加固層的數(shù)量增長(zhǎng)而增大,其中純彎區(qū)橫向纏繞1層GFRP2可提高加固木梁承載力5.15%,純彎區(qū)橫向纏繞1層GFRP2可提高加固木梁承載力9.05%。分析原因,對(duì)木梁進(jìn)行橫向纏繞加固后,木梁受壓區(qū)的縱向剛度、屈服應(yīng)力、極限應(yīng)力均被提高,且隨著橫向纏繞的加固層層數(shù)的增加而增大,這些基本性能的提高是加固木梁承載力得到提高的主要原因。根據(jù)以上分析,在木梁純彎區(qū)橫向纏繞FRP是增強(qiáng)木梁受壓區(qū)一種形式,可有效提高木梁的抗彎承載力,提高的幅度隨橫向加固層層數(shù)的增加而增加。3cfrp加固層對(duì)梁的抗彎承載力的影響本文主要進(jìn)行了FRP加固木梁的試驗(yàn)研究;根據(jù)使用材料的特性和試驗(yàn)現(xiàn)象,詳細(xì)分析了加固木梁的受力機(jī)理;分析了各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)試件工作性能的影響;可得到如下結(jié)論:(1)采用FRP對(duì)受彎木梁進(jìn)行加固是有效的,加固的效果與加固的層數(shù)、加固層的類型以及加固方式有關(guān)。(2)在木梁受拉區(qū)設(shè)置加固層可有效提高木梁的抗彎承載力,CFRP加固層的加固效果優(yōu)于GFRP的,其中受拉區(qū)粘貼1層CFRP,木梁承載力提高30.61%,受拉區(qū)粘貼1層GFRP,木梁承載力提高17.69%。(3)木梁受壓區(qū)設(shè)置加固層可有效提高木梁的抗彎承載力,在純彎區(qū)橫向設(shè)置FRP加固層可增強(qiáng)木梁受壓區(qū)的性能,有效提高木梁的抗彎承載力,提高的幅度與加固層層數(shù)有關(guān),其中橫向纏繞2層GFRP2,木梁承載力提高9.05%。(4)加固層設(shè)置于木梁受壓區(qū)側(cè)部的效果優(yōu)于設(shè)置于木梁受壓區(qū)頂部,其中受拉區(qū)粘貼2層CFRP,受壓區(qū)側(cè)部粘貼1層CFRP可使木梁承載力提高62.51