碳纖維增強復(fù)合材料約束短木柱軸壓性能

(南京工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

1 引 言

碳纖維增強復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)與傳統(tǒng)建筑材料相比，具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕性能好、抗疲勞和耐沖擊等優(yōu)點，在土木交通等基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。木材作為生物性建筑材料，其力學(xué)性能受生長過程中環(huán)境影響較大。樺木生長速度快、耐寒冷，且防腐防蟲方面具有天然優(yōu)勢，但是承載力較低，易變形，目前主要應(yīng)用于家具制造行業(yè)。本研究采用CFRP加固樺木柱，提升原木柱的力學(xué)性能，為樺木作為主要受力構(gòu)件在工程中應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。Toutanji[1]研究了CFRP約束混凝土的本構(gòu)關(guān)系，結(jié)構(gòu)的承載力和剛度得到顯著的提高；Parvin等[2]分析了纖維鋪層、纏繞工藝對約束效果的影響；郭瑞峰[3]通過開展CFRP約束混凝土圓柱、方柱的單調(diào)及反復(fù)受壓試驗，系統(tǒng)研究了鋼筋影響的單調(diào)與滯回本構(gòu)模型；劉磊[4]通過試驗和有限元方法研究了CFRP約束高強度混凝土柱的軸心受壓性能，分析了不同纖維布厚度、約束方式、帶條寬度和間距等情況下的承載力和變形；潘慶龍[5]綜合考慮CFRP預(yù)應(yīng)力效應(yīng)以及內(nèi)包柱的尺寸效應(yīng)，開展了軸心受壓試驗，建立了考慮預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的碳纖維布約束大尺寸鋼筋混凝土柱應(yīng)力-應(yīng)變方程式；吳建國[6]開展了CFRP環(huán)向加固木材受壓構(gòu)件的抗壓性能試驗，分析加固不同長細比木柱的效果；邵勁松、周鐘宏等[7-8]通過開展FRP環(huán)向加固木柱的軸心受壓性能試驗，分別研究了采用GFRP(玻璃纖維增強復(fù)合材料)和CFRP兩種增強材料加固木柱的破壞形態(tài)；許清風等[9]研究了不同CFRP層數(shù)、倒角半徑的短木柱受力性能；周乾[10]推導(dǎo)了CFRP加固木柱極限承載力的計算公式，通過與有限元結(jié)果的對比分析，表明CFRP加固木柱極限承載力可提高約27.4%；朱艷梅等[11]采用CFRP、BFRP(玄武巖纖維)、AFRP(芳綸纖維)3類纖維布加固短圓木柱，研究全包、半包、間隔包裹等多種加固方式及纖維布加固層厚度對圓木柱性能的影響；杜剛等[12]采用CFRP對復(fù)合材料圓管端部進行加固增強，通過軸壓試驗，發(fā)現(xiàn)端部加固可以減小復(fù)合材料管的徑向變形，提高結(jié)構(gòu)的承載力；梁危等[13]以CFRP、AFRP加固的方形木柱為對象，研究了不同纖維層數(shù)和全包、環(huán)向、螺旋等不同加固方式對木柱抗壓承載力的影響，表明木柱的抗壓承載力可提高57.5%，F(xiàn)RP(纖維增強復(fù)合材料)的橫向約束能夠有效改善木構(gòu)件的延性，不同加固方式對延性的提高幅度差異較大；楊靜等[14]對CFRP加固的新疆楊木短柱進行軸心抗壓試驗，發(fā)現(xiàn)通過CFRP加固可顯著提高木柱的軸心受壓力學(xué)性能，還研究了采用CFRP的粘貼方式、層數(shù)等參數(shù)對軸壓力學(xué)性能影響的規(guī)律；梁振武[15]采用CFRP、BFRP對矩形截面新疆楊木柱進行不同方式的加固，發(fā)現(xiàn)纖維層數(shù)、粘貼方式對木柱的力學(xué)性能影響較大；吳高峰等[16]研制了用于碳纖維布加固的GF結(jié)構(gòu)膠，通過試驗研究了碳纖維布加固構(gòu)件在荷載作用下的撓度、強度、裂縫展開情況及破壞模式，表明加固后結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和延性增加顯著。從現(xiàn)有的研究結(jié)果可以看出，纖維布的粘貼纏繞方式、厚度對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響較大，本研究選用量大面廣的樺木，采用軸壓試驗技術(shù)手段探討CFRP約束樺木短柱構(gòu)件的力學(xué)性能與破壞規(guī)律。

2 實 驗

2.1 實驗材料

短柱試件所采用的主要材料有碳纖維布(CFW300)、環(huán)氧樹脂、固化劑、丙酮稀釋劑以及經(jīng)過干燥處理的樺木規(guī)格材。碳纖維布的基本性能參數(shù)如表1所示，經(jīng)過干燥處理的樺木力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表1 碳纖維布的基本性能參數(shù)Table 1 Basic performance of carbon fiber sheet

表2 樺木的力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Mechanical properties of birch wood

2.2 試件制備

圖1 CFRP纏繞方式示意圖 (a) 8字型交叉； (b) 縱橫向交叉Fig.1 Wrapping patterns of CFRP(a) figure of 8 pattern; (b) cross-ply pattern

試驗共制作兩組短柱構(gòu)件：一組是CFRP約束樺木柱，根據(jù)CFRP層厚度和纏繞方式的不同分為五種工況，每種工況制作3個試件，纏繞方式分為8字型(如圖1(a)所示)、縱橫向交叉纏繞型(如圖1(b)所示)兩種類型；另一組是未粘貼CFRP的原木試件。根據(jù)《木結(jié)構(gòu)試驗方法標準》(GB/T 50329-2012)[17]，設(shè)計試件的尺寸如表3所示，為防止構(gòu)件的整體失穩(wěn)破壞，實驗選用長細比為3的短柱試件，并在試件端部進行纖維加強。試件的制作步驟如下：①將樺木規(guī)格材按短柱的設(shè)計尺寸進行切割、刨光，芯材表面均勻地涂刷樹脂；②裁剪碳纖維布，經(jīng)樹脂浸漬后按8字型和縱橫交叉兩種纏繞方向逐層粘貼在芯材表面，注意鋪貼平整，避免出現(xiàn)皺褶和氣泡；③用毛刷、壓輥和刮刀將纖維進行壓平，防止纖維層間、鋪層與木材間有氣泡和空洞；④纖維布纏繞完成后在構(gòu)件表面再纏上一層聚酯薄膜，用于壓實纖維層；固化成型后脫模。

表3 樺木短柱試件的設(shè)計參數(shù)Table 3 Design parameters of short birch wood column

注：d為柱的直徑，l為柱的長度，t為CFRP層的厚度

2.3 實驗方案

實驗在5000kN的液壓試驗機上進行，在試件兩端粘貼鋼板以便固定或加載，試件左右兩側(cè)各布置一個YHD-20位移計，實驗重點研究試件中間200mm段的位移變化情況，所以在這段距離兩端設(shè)置四個銅端頭。在試件的中部四側(cè)均粘貼豎向和橫向電阻應(yīng)變片，用于測量試件中部截面的軸向應(yīng)變和纖維應(yīng)變，取各應(yīng)變片的平均值作為構(gòu)件的軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變。

待試件幾何對中固定放置完成后，采用軸壓極限荷載計算值的25%進行預(yù)加載，根據(jù)位移計讀數(shù)調(diào)整試件的位置；再逐級進行單調(diào)加載，彈性范圍內(nèi)每級荷載為計算極限荷載的1/10，當粘貼復(fù)合材料層屈服時降低加載值，每級加載值取極限荷載的1/15。逐級加載的持續(xù)時間約為2～3min，當試件變形較大接近承載極限時，進行連續(xù)加載直至完全破壞。

3 結(jié)果與分析

3.1 試件破壞形態(tài)

8字型纏繞的試件A和C存在失穩(wěn)破壞現(xiàn)象(圖2(a)、(b))，試件A失穩(wěn)破壞較為嚴重，失穩(wěn)的原因與CFRP的纏繞方向有關(guān)，也與短柱的樺木芯材模量低、剪切破壞后開裂區(qū)界面薄弱導(dǎo)致纖維屈曲有關(guān)。

試件B加載過程中，當荷載達到300kN時，試件表面膠體開裂；600kN時，離試件底部1/4柱高處一圈出現(xiàn)壓痕；隨著荷載增加到700kN時，碳纖維層沿著裂痕被擠壓外鼓；荷載達到800kN時，碳纖維層被壓潰，試件破壞，此時試件位移為2.47mm?？v橫向交叉纏繞的B、D和E試件的破壞形態(tài)較相似，破壞時主要產(chǎn)生離兩柱端1/4柱高處沿圓周方向的橫向裂縫(圖2(c)、(d))或兩加固端交接處應(yīng)力集中導(dǎo)致擠壓破壞，其它位置的CFRP完好，未出現(xiàn)界面剝離破壞。

圖2 試件典型破壞形態(tài)照片 (a) 試件A； (b) 試件C； (c) 試件E； (d) 試件B； (e) 試件FFig.2 Typical failure mode of specimen (a) specimen A; (b) specimen C; (c) specimen E; (d) specimen B; (e) specimen F

原木試件F加載過程中，當荷載達到300kN時，頂部區(qū)域開始出現(xiàn)斜裂縫，隨后試件中間位置沿木材縱紋方向開始出現(xiàn)裂縫(圖2(e))。隨著荷載的增加，裂縫寬度不斷增加和延伸，當荷載增加到370kN時，試件劈裂破壞。

從以上結(jié)果可以看出，試件的破壞形態(tài)與CFRP的纏繞方向相關(guān)，相同纏繞形式下纖維層厚度也影響構(gòu)件的破壞形態(tài)，構(gòu)件的承載性能受木質(zhì)芯材的影響較大。

3.2 荷載-應(yīng)變曲線

CFRP約束樺木柱和原木柱軸壓試驗的荷載-應(yīng)變曲線如圖3所示。從圖可見，各試件的荷載-應(yīng)變曲線都可分為線性和非線性兩個階段，經(jīng)CFRP約束的樺木柱比原木柱試件非線性趨勢更加明顯，結(jié)構(gòu)的延性得到明顯提高。從圖3(a)、(f)可以看出，試件A承受的最大荷載與原木非常接近，進一步證明了8字型纏繞試件的破壞由木材的承載力不足引起。破壞時，試件A的軸向應(yīng)變值較大，CFRP約束效應(yīng)顯著。CFRP纏繞方式不同，構(gòu)件的承載力、軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變的差別較大，各構(gòu)件的極限承載力、軸向和橫向的極限應(yīng)變值如表4所示。

表中負值表示壓應(yīng)變，正值表示拉應(yīng)變。從表中可以看出，與未粘貼CFRP的原木柱相比，8字型纏繞的A、C試件極限承載力分別提高了11.1%和16.7%，橫向應(yīng)變分別減小了22.4%和18.1%，軸向應(yīng)變分別增加181.3%和215.1%，構(gòu)件的含纖率越高，承載力、軸向應(yīng)變值與橫向應(yīng)變值越大。B、D、E三類試件的最大承載力分別提高了122.2%、150%和191.7%，構(gòu)件含纖率越高，構(gòu)件的承載力越大；橫向應(yīng)變分別減小了46.8%、50%和56.2%；軸向應(yīng)變值分別增加了117.5%、72.4%和36.6%。與原木短柱相比，CFRP層8字型交叉纏繞的A、C構(gòu)件極限承載力增加幅度不大，而縱橫向纏繞的承載力可以增加1倍以上，纖維層數(shù)越多，增加的幅度越大。8字型纏繞的橫向應(yīng)變約束效應(yīng)也小于縱橫向約束，且纖維層數(shù)越多，約束效應(yīng)越顯著。從表中還可以看出，原木柱軸壓構(gòu)件外圍粘貼纖維層引起軸向應(yīng)變的顯著增加，8字型纏繞的軸向極限應(yīng)變比原木柱增加3倍以上，CFRP層數(shù)越多，約束效應(yīng)越顯著。提高縱橫向纏繞構(gòu)件的含纖率(即增加纖維布厚度)可有效提高構(gòu)件承載力，在不顯著增加軸向應(yīng)變的前提下有效減小橫向應(yīng)變。

圖3 短柱試件的荷載—軸向和橫向應(yīng)變變化曲線 (a) 試件A； (b) 試件C； (c) 試件E； (d) 試件B； (e) 試件FFig.3 Axial and transversal strain-load curve of specimens (a) specimen A; (b) specimen C; (c) specimen E; (d) specimen B; (e) specimen F

表4 樺木柱試件軸壓性能參數(shù)對比Table 4 Axial compressive property comparison of birch specimens

4 結(jié) 論

本研究提出一種采用CFRP約束樺木制成的圓形截面短柱構(gòu)件，柱的外層采用碳纖維布纏繞增強。通過開展軸壓性能試驗，對比分析8字型纏繞和縱橫向纏繞兩種約束構(gòu)件、原木構(gòu)件的軸壓性能，主要結(jié)論有：

1．與原木構(gòu)件相比，8字型交叉纏繞CFRP約束樺木柱的軸壓極限承載力有所提高，但軸向和橫向變形的約束效果不夠理想，增加纖維層的厚度，軸向和橫向應(yīng)變值反而增加，對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不利。

2．縱橫向纏繞CFRP約束樺木柱的軸壓極限承載力提高幅度較大，橫向變形約束效應(yīng)顯著。增加CFRP厚度，可顯著提高結(jié)構(gòu)極限承載力，減小橫向和軸向應(yīng)變值。

3．通過對比分析，采用縱橫向纏繞方法、適當增加CFRP層的厚度(即含纖率)可有效約束樺木柱的軸向和橫向變形，有效提高構(gòu)件的承載力。