復(fù)合加固方形木柱偏心受壓性能試驗(yàn)

韓笑東，趙 越，楊燕澤，阿斯哈，周長(zhǎng)東

(北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

與鋼材、混凝土和石材等常用材料相比，木材是最容易獲取的可再生性資源，其在古代和現(xiàn)代建筑中應(yīng)用廣泛。由于木材本身的缺陷、環(huán)境腐蝕、震害等會(huì)造成木結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性降低，需要對(duì)木結(jié)構(gòu)進(jìn)行維修加固。

FRP(fiber reinforced polymer)具有高比強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性[1]，近年來在土木工程領(lǐng)域得到了較為廣泛的研究和應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者Taheri等[2]、朱雷等[3]、Fiorelli等[4]、邵勁松等[5]、楊靜等[6]、朱艷梅等[7]、張大照[8]、馬建勛等[9]進(jìn)行了FRP加固木結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明CFRP(carbon fiber reinforced polymer)滿貼加固木柱可使其承載力得到有效提高，同時(shí)對(duì)其延性性能的提高也有一定幫助，加固后木柱受力性能的提高程度與CFRP布的粘貼布置方式以及粘貼層數(shù)有較大關(guān)系，但該加固方式對(duì)提高木柱承載能力效果不大。

木結(jié)構(gòu)嵌筋是用黏結(jié)劑將筋材嵌入木構(gòu)件的加固方法，此過程涉及木材、筋材、黏結(jié)劑等3種材料，筋材/黏結(jié)劑和木材/黏結(jié)劑等兩個(gè)界面[10-12]。近20年來國外學(xué)者對(duì)木結(jié)構(gòu)嵌筋進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，近十幾年來國內(nèi)學(xué)者也陸續(xù)開展了相關(guān)研究，研究范圍主要集中在連接部位的黏結(jié)錨固和節(jié)點(diǎn)的受力性能[13]，對(duì)木材的結(jié)構(gòu)性能等方面的研究較少。淳慶等[14-15]、Kell[16]對(duì)內(nèi)嵌筋材的木柱進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，內(nèi)嵌筋材可以對(duì)木柱的軸心抗壓性能有較大程度的提高，承載力隨嵌入鋼筋的強(qiáng)度等級(jí)、數(shù)量、直徑等的不同而變化，但同時(shí)該加固方法也存在內(nèi)嵌筋材受壓彎曲、筋材穩(wěn)定性不足、對(duì)木柱的橫向變形約束作用小等缺點(diǎn)。

木材表面開槽嵌筋同時(shí)包裹纖維布作為一種新型的加固方式，相比于僅包裹纖維布的方式理論上能更好地發(fā)揮內(nèi)嵌筋材的承載力及延性性能，同時(shí)較僅內(nèi)嵌筋材的加固方式又可利用纖維布的橫向約束能力來增加筋材的穩(wěn)定性、約束木材的橫向變形使其處于三向受壓狀態(tài)以提升木柱的承載能力，因此該復(fù)合加固方式具有較大研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

目前國內(nèi)對(duì)于嵌筋技術(shù)在木結(jié)構(gòu)建筑的建造和加固中的理論和應(yīng)用研究尚處起步階段，而FRP加固木柱的抗壓性能研究也多局限于軸心受壓。因此，本文對(duì)采用表面內(nèi)嵌鋼筋、外包CFRP布復(fù)合加固的木柱進(jìn)行了偏心受壓試驗(yàn)研究，以探究該加固方法的適用性。

1 試件設(shè)計(jì)

1.1 試件特征

本試驗(yàn)試件尺寸均為200 mm×200 mm×600 mm，共7根試件，編號(hào)為TC1～TC7，分別進(jìn)行偏心受壓試驗(yàn)。試件加固詳情見表1，特征見圖1。

表1 試件詳情Tab.1 Details of specimens mm

圖1 試件特征(mm)Fig.1 Characteristics of specimens (mm)

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用的是紅松，取自在自然條件下儲(chǔ)存7～8 a的原木，經(jīng)加工成試驗(yàn)用短木柱后，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中又存放半年。因而木材的物理力學(xué)性能基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。材料性能試驗(yàn)測(cè)得其順紋抗壓強(qiáng)度為44.0 MPa，彈性模量為11 890 MPa，密度為0.539 g/cm3，含水率(木材中所含水分的質(zhì)量與絕干后木材質(zhì)量的百分比)為14.2%。

本試驗(yàn)選用的CFRP布為單向碳纖維編織而成的寬度為100 mm的MKT-CFC型碳布，公稱厚度為0.167 mm，抗拉強(qiáng)度為3 506 MPa，彈性模量為235 000 MPa，加固時(shí)搭接長(zhǎng)度為100 mm。CFRP布黏結(jié)采用配套的MKT-CFR/A型碳纖維浸漬膠，由環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑與固化劑兩部分按照2∶1的比例配制而成，其抗拉強(qiáng)度為53.2 MPa，彈性模量為2 820 MPa。鋼筋采用直徑16 mm的HRB400級(jí)鋼筋，屈服強(qiáng)度為455 MPa，抗拉強(qiáng)度為645 MPa，彈性模量為200 000 MPa。木材與鋼筋黏結(jié)時(shí)采用JGN805型雙組份環(huán)氧樹脂嵌筋結(jié)構(gòu)膠，其抗壓強(qiáng)度為83.5 MPa，彈性模量為3 500 MPa。

既有研究[17-18]表明，當(dāng)木材與其表面內(nèi)嵌鋼筋的錨固長(zhǎng)度為160 mm時(shí)，鋼筋接近屈服。試驗(yàn)中木柱高為600 mm，因而內(nèi)嵌鋼筋的黏結(jié)長(zhǎng)度滿足錨固要求。

本試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片來采集試驗(yàn)時(shí)各材料的應(yīng)變數(shù)據(jù)，應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置情況見圖2。在木材4個(gè)側(cè)面中心位置均布置有水平和豎向的應(yīng)變片，其中開槽嵌筋的側(cè)面在槽兩側(cè)各布置一組水平和豎向的應(yīng)變片，取平均值；每根鋼筋中心位置處布置有應(yīng)變片；在中間位置CFRP布的4個(gè)側(cè)面中心位置各布置一組水平和豎向應(yīng)變片。

圖2 應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置(mm)Fig.2 Layout of strain measuring points (mm)

1.3 試件制作

1)加工木柱試件，對(duì)嵌筋試件開槽；

2)進(jìn)行測(cè)量標(biāo)記，確定粘貼應(yīng)變片、包布等的位置，并在木柱側(cè)面相應(yīng)位置粘貼應(yīng)變片，放置一周；

3)充分清洗孔槽，配制嵌筋膠，將粘貼好應(yīng)變片的鋼筋植入孔槽中；

4)配制包布所用的浸漬膠，并在相應(yīng)位置粘貼CFRP布，放置1～2 d；

5)待CFRP布充分固定之后在相應(yīng)位置粘貼應(yīng)變片，試件即制作完成。

1.4 加載制度

本試驗(yàn)在600 t電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，偏心受壓試驗(yàn)加載裝置見圖3(以TC4為例)。

圖3 偏心加載示意Fig.3 Eccentric loading test device

首先將試驗(yàn)機(jī)施壓位置與試件標(biāo)記的偏心受壓位置對(duì)正，然后進(jìn)行預(yù)加載。采用加載速度為0.5 mm/min的連續(xù)均勻加載方式，同時(shí)采用德國IMC動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)對(duì)荷載和應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。當(dāng)荷載下降到極限荷載的70%時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

TC1、TC2、TC4、TC5和TC6均在加載至峰值荷載的40%左右時(shí)開始發(fā)出劈裂聲，TC3和TC7則分別出現(xiàn)在加載至峰值荷載的45%和30%左右時(shí)。TC2、TC3、TC4和TC6均在加載至峰值荷載的90%左右時(shí)產(chǎn)生持續(xù)的劈裂聲并出現(xiàn)明顯的裂縫，并且TC2、TC3和TC4出現(xiàn)略微傾斜；TC1和TC5則分別在加載至峰值荷載的70%和65%左右時(shí)出現(xiàn)持續(xù)的劈裂聲；而TC7則是從劈裂聲產(chǎn)生時(shí)開始，隨著荷載的增加，劈裂持續(xù)加劇，直至加載至試件破壞。

試驗(yàn)結(jié)束后TC1和TC5主要發(fā)生木材的褶曲破壞，TC2、TC3和TC4主要表現(xiàn)為木材的褶皺及局部壓潰，TC6和TC7主要在纖維布之間發(fā)生木材的斜剪褶曲以及鋼筋的外凸。各試件的破壞形態(tài)見圖4。

圖4 TC1～TC7破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of TC1-TC7

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 破壞形式的對(duì)比

通過TC1和TC5的對(duì)比，TC2、TC3和TC6的對(duì)比，TC4和TC7的對(duì)比可知：相同加固狀態(tài)下的木柱，偏心距越大，其破壞發(fā)生的位置越集中，偏心距越小，整體破壞狀態(tài)越明顯；偏心距較大的木柱，破壞主要發(fā)生在偏心側(cè)，且集中在纖維布包裹間隔處；而偏心距為0時(shí)，木柱在4個(gè)側(cè)面均發(fā)生明顯破壞現(xiàn)象，且破壞分布均勻，表現(xiàn)出更好的整體性。

通過TC1、TC2和TC4的對(duì)比，TC5、TC6和TC7的對(duì)比可知：在相同偏心距受壓情況下，復(fù)合加固后的木柱相較于未加固的木柱發(fā)生破壞的位置除了偏壓側(cè)出現(xiàn)褶曲外，還有頂部受壓處出現(xiàn)的局部壓潰，而且加固后的木柱破壞位置主要發(fā)生在纖維布間隔處。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果匯總

柱的試驗(yàn)結(jié)果匯總于表2。表中Pu為極限荷載，Δm為極限荷載對(duì)應(yīng)的相對(duì)位移(偏心受壓情況下只取偏壓側(cè)位移值，Δy、Δu同)，Δy為名義屈服位移，Δu為荷載下降至0.85Pu時(shí)的極限位移，μΔ為延性系數(shù)。本文采用位移延性系數(shù)μΔ=Δu/Δy來表征試件的軸向變形能力，其中名義屈服位移Δy采用能量等效面積法進(jìn)行計(jì)算。在Pu和μΔ提高幅度計(jì)算中，TC2和TC4的對(duì)比試件為TC1，TC6和TC7的對(duì)比試件為TC5，由于TC3偏心距不同，主要與TC2相對(duì)比，不進(jìn)行Pu和μΔ提高幅度值的計(jì)算。

表2 主要試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Main experimental results

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試件TC1、TC2、TC3和TC4的荷載-位移曲線見圖5，TC1、TC2和TC4的荷載-應(yīng)變曲線見圖6；試件TC5、TC6和TC7的荷載-位移曲線、荷載-應(yīng)變曲線分別見圖7、8。由表2、圖5～8可知：

圖5 TC1、TC2、TC3和TC4 荷載-位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of TC1, TC2, TC3, and TC4

圖6 TC1、TC2、TC4 荷載-應(yīng)變曲線Fig.6 Load-strain curves of TC1, TC2, and TC4

圖7 TC5、TC6、TC7 荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of TC5, TC6, and TC7

圖8 TC5、TC6、TC7 荷載-應(yīng)變曲線Fig.8 Load-strain curves of TC5, TC6, and TC7

1)偏心距對(duì)木柱承載能力影響顯著，偏心距越大，木柱的承載能力越弱：偏心距為50 mm的未加固木柱比偏心距為0狀態(tài)下承載能力降低51.3%；側(cè)面中心嵌入2Φ16并用一層CFRP布間隔包裹的木柱，偏心距為50 mm和75 mm的試件承載能力分別比偏心距為0時(shí)降低53.3%和61.2%。

2)偏心距為0時(shí)，在木柱側(cè)面中心嵌入2Φ16或4Φ16并用一層CFRP布間隔包裹后，試件承載力分別提高45.9%和61.5%，而在偏心距為50 mm時(shí)，其承載能力可分別提高22.8%和84.9%。由此可見，CFRP條帶間隔包裹時(shí)，四面嵌筋試件的偏心受壓承載力明顯高于兩側(cè)嵌筋試件。

3)相比于未加固試件，加固后木柱的剛度大幅提升；而嵌筋數(shù)量越多，試件的剛度提升越大。

4)加固方式相同時(shí)，隨著偏心距的增大，木柱破壞時(shí)的橫向和縱向極限應(yīng)變值都有所提高；偏心距相同時(shí)，纖維布可限制木材的橫向應(yīng)變；纖維布約束木柱橫向應(yīng)變的能力與嵌筋數(shù)量關(guān)系不大。

3.4 延性系數(shù)分析

由表2可知：

1)加固方式相同，偏心距變化時(shí)：未加固的木柱，偏心距為50 mm的試件延性系數(shù)比偏心距為0時(shí)降低16.9%；對(duì)于加固后的木柱，偏心距的變化對(duì)延性系數(shù)有影響，但影響程度不明顯。

2)偏心距相同，加固方式變化時(shí)：偏心距為0時(shí)，在木柱側(cè)面中心嵌入2Φ16或4Φ16并用一層CFRP布間隔包裹后，延性系數(shù)可分別提高33.1%和50.0%；而偏心距為50 mm時(shí)，可分別提高54.5%和88.8%；增加嵌筋數(shù)可有效提升木柱的延性。

3.5 應(yīng)變分析

由圖6、8可知：

1)由于木材內(nèi)裂縫、木節(jié)等的存在，各試件的應(yīng)變存在一定的離散，但整體趨勢(shì)較為一致。

2)加固方式相同時(shí)增大偏心距，木柱破壞時(shí)的橫向和縱向極限應(yīng)變值有所提高，但承載力降低。

3)對(duì)于未加固的試件，偏心距的變化對(duì)其塑性無影響，均表現(xiàn)為脆性破壞；對(duì)于加固的試件，偏心距變化對(duì)其塑性有影響，偏心距越小，其塑性越明顯，呈現(xiàn)出的屈服段越顯著；偏心距相同時(shí)，相比于未加固試件，加固后的木柱呈現(xiàn)出較明顯的屈服段，表現(xiàn)出良好的塑性，且嵌筋數(shù)越多，其塑性也越明顯。

4)相比于原木柱，加固試件的縱向峰值應(yīng)變有所提高，橫向則變化不大，嵌筋數(shù)對(duì)應(yīng)變影響不大。

4 復(fù)合加固偏壓木柱的工作機(jī)理

對(duì)于未加固的木柱，由于木材為脆性材料，因此在偏心距較大時(shí)僅有偏壓側(cè)部分木材參與承壓，從而很快發(fā)生褶曲破壞。對(duì)于相同加固方式的木柱，偏心距越小，其受壓整體性越明顯，因而其承載力也越高；隨著偏心距的增加，木柱的偏壓側(cè)承受大部分荷載，難以發(fā)揮出整體性，因此其承載力大幅降低。對(duì)于復(fù)合加固后的木柱，偏心距較大時(shí)，纖維布的約束作用不明顯，且僅有部分鋼筋參與承壓，因而其承載能力較低；而偏心距較小時(shí)，纖維布有效地限制了木材的橫向變形，使其處于三向受壓狀態(tài)，受壓整體性更好，同時(shí)嵌入的鋼筋受到嵌筋膠和纖維布的約束，穩(wěn)定性增強(qiáng)，使得鋼筋的抗壓能力得以發(fā)揮，從而提高木柱的承載力和延性性能。嵌筋數(shù)量越多，承壓鋼筋的面積越大，鋼筋承擔(dān)的荷載也越多，從而提高木柱的承載力。

需要說明的是，本文中僅采用了間隔包裹CFRP布的形式，如果增加CFRP布的加固量，則有可能進(jìn)一步提升木柱的受壓性能。試驗(yàn)?zāi)局钠茐耐l(fā)生于木材初始缺陷較為集中的區(qū)域，而CFRP布加固量的增加會(huì)改善木材初始缺陷的影響。

5 結(jié) 論

1)相同偏心距時(shí)，對(duì)木柱復(fù)合加固之后，木柱的承載力和延性均得到提高，提高幅度隨著嵌筋數(shù)量增加而增大，并且在破壞時(shí)表現(xiàn)出更好的整體性。

2)在采用雙側(cè)面嵌筋加間隔包裹一層CFRP布的方式加固后，增大偏心距將降低木柱的承載力，但同時(shí)木柱的延性性能有所提高。

3)在偏壓狀況下通常為受壓一側(cè)材料率先失效。在實(shí)際項(xiàng)目應(yīng)用中，應(yīng)充分考慮構(gòu)件實(shí)際受力情況，調(diào)整鋼筋直徑，再進(jìn)行加固作業(yè)。