玻璃纖維加固木結(jié)構(gòu)的長期蠕變初探★

何鑫巍 薛冬冬 付 雨 朱曉冬*

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

木材是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等多組分構(gòu)成的一種非均質(zhì)的、各向異性的天然高分子材料，具有良好的力學(xué)性能，具有粘彈性，其應(yīng)力、應(yīng)變與時間有依從關(guān)系，重量輕，具有較高的強重比，加工制作簡單，從古至今作為優(yōu)良結(jié)構(gòu)材使用。隨著對木材改性研究的進一步深入，利用木材諸多天然優(yōu)點，木材可被加工成各種形式的梁、桁架和網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)等建筑結(jié)構(gòu)用材，也可以用作室內(nèi)外裝飾用材。木材作為建筑結(jié)構(gòu)用材，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比，一方面具有環(huán)?？稍偕?、安全可靠、優(yōu)良的環(huán)境學(xué)特性等優(yōu)點，另一方面也具有橫紋強度低、多木節(jié)裂縫、彈性模量小和易受干濕循環(huán)影響等缺點，需要進行定期的維護和修復(fù)。常用的加固修復(fù)方法包括木構(gòu)件直接替換和設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)支撐等等，但是這些傳統(tǒng)方法可能會破壞歷史建筑的原有風貌，因施工時間過長影響正常使用，不能廣泛應(yīng)用于木結(jié)構(gòu)的維修加固中［1-4］。纖維增強復(fù)合材料(Fiber Reinforced Plastic，F(xiàn)RP)加固技術(shù)是一種用膠粘劑把FRP粘結(jié)在結(jié)構(gòu)外部進行加固，以提高構(gòu)件承載力的加固方法。FRP優(yōu)良的材料特性使該加固方法有以下主要技術(shù)優(yōu)勢:高強高效;不影響結(jié)構(gòu)自重及尺寸;施工方便，操作性強，不需要大型施工設(shè)備，施工占用空間少，適用于各種類型和形狀部位的加工修補;抗疲勞、耐腐蝕性好［5］。用FRP加固木結(jié)構(gòu)不僅可以提高木質(zhì)材料作為結(jié)構(gòu)材使用時的承載力、剛度和延性，還可以提高木結(jié)構(gòu)的耐久性和徐變性［6］。但是，在實際使用過程中，溫度、含水率和應(yīng)力水平等因素對FRP加固木梁的蠕變都有重要的影響。而木材蠕變的精確預(yù)測對于木結(jié)構(gòu)中的變形限值設(shè)計是必需的，因此本文對不同應(yīng)力水平下FRP加固木梁的機械吸附蠕變進行研究，為進一步擴展FRP加固木梁技術(shù)在工程界的應(yīng)用提供參考。

1 實驗材料與方法

1．1 實驗材料

本試驗?zāi)玖涸嚰捎帽狈浇ㄖ芰?gòu)件中常用的落葉松，纖維布采用GFRP，即玻璃纖維布，粘貼用膠粘劑采用環(huán)氧樹脂膠粘劑，與固化劑均為市場購買。落葉松木梁不含木節(jié)，試件尺寸按照國家標準GB 50005-2003木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范規(guī)定制作，采用400 mm×70 mm×30 mm的試件。環(huán)氧樹脂膠粘劑與固化劑均由市場購買，使用配比為4∶1。根據(jù)前期研究確定的GFRP加固木梁最佳粘貼工藝，將玻璃纖維增強材料粘貼在木梁的下端面，即木梁受拉面。

1．2 蠕變測試方法

為了研究GFRP加固木梁的機械吸濕蠕變性能，首先需要進行木梁、纖維增強材料和GFRP加固后木梁的基本物理力學(xué)性能試驗。參照GB 1935-91木材物理力學(xué)性質(zhì)的試驗方法、美國相關(guān)木材試驗標準ASTM D143-94(2000)和GBT 9979-2005纖維增強塑料高低溫力學(xué)性能—試驗準則，應(yīng)用萬能力學(xué)試驗機測定極限強度，確定蠕變實驗的載荷水平。

試件蠕變測試采用三點彎曲撓度測量法，兩支點之間間距在試材厚度10倍以上，載荷施加于試件中間，使試件發(fā)生純彎曲。在載荷的正上方放置一個千分表，測量精度為0．001 mm，用于測量實驗過程中試件的變形量，如圖1所示。在給定的應(yīng)力作用下，0 h～1 000 h內(nèi)，按預(yù)先確定的時間間隔，通過千分表測出各試件在不同時刻的應(yīng)變量。實驗中，蠕變數(shù)據(jù)的測定在室內(nèi)，環(huán)境溫度在15℃ ～35℃之間，環(huán)境相對濕度在20%～50%。

圖1 蠕變測試方法

圖2 不同種類落葉松木梁的長期蠕變測試結(jié)果

2 結(jié)果與討論

將落葉松木梁分為四組，分別為A(120 kg載荷)，B(140 kg載荷)，C(160 kg載荷)，D(GFRP加固木梁加載160 kg載荷)。應(yīng)變測試結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出玻璃纖維加固木結(jié)構(gòu)的長期蠕變經(jīng)歷一個復(fù)雜的過程，蠕變前期30 h之前與同種載荷的未加固木材產(chǎn)生變形相似，只有較小的變形，在1 mm～1．2 mm左右。30 h之后普通木梁變形迅速增大，并且載荷越大，變形值越大。玻璃纖維加固木結(jié)構(gòu)的蠕變也會稍微加劇，但變形增加速度明顯小于普通木梁。720 h后玻璃纖維加固木結(jié)構(gòu)與普通木結(jié)構(gòu)的蠕變趨勢相似，都會明顯減小變形增加速率。

3 結(jié)語

玻璃纖維加固木結(jié)構(gòu)在蠕變前期30 h之前與同種載荷的木材產(chǎn)生變形相似，在1 mm左右，30 h之后普通木梁變形迅速增大，玻璃纖維加固木結(jié)構(gòu)的蠕變也會稍微加劇，但是變形增加的速度明顯小于普通木梁。720 h后玻璃纖維加固木結(jié)構(gòu)與普通木結(jié)構(gòu)相似，都會明顯減小變形增加速率。玻璃纖維加固木結(jié)構(gòu)在承受相同載荷時可以減小木結(jié)構(gòu)的變形，尤其是在變形快速增大的階段。

［1］Gomez S，Svecova D．Behavior of split timber stringers reinforced with external GFRP sheets［J］．J Compos Constr，2008，12(2):202-211．

［2］Kim YJ，Harries KA．Modeling of timber beams strengthened with various CFRP composites［J］．Eng Struct，2010，32(10):3225-3234．

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［5］盧亦焱，黃銀燊，張?zhí)栜姡龋瓼RP加固技術(shù)研究新進展［J］．中國鐵道科學(xué)，2006，27(3):34-42．

［6］沙 洲，朱曉冬．FRP材料增強木結(jié)構(gòu)研究綜述［J］．森林工程，2012，28(3):57-61．