國內(nèi)FRP增強木梁研究的現(xiàn)狀與展望★

楊 友 龍

(韓山師范學(xué)院，廣東 潮州 521041)

0 引言

木結(jié)構(gòu)具有自重輕、節(jié)能環(huán)保、施工方便等優(yōu)點，被日本、歐洲和北美等國家和地區(qū)廣泛使用[1]。我國傳統(tǒng)民居、寺廟乃至宮殿也大量的采用木結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)形式[2]。作為纖維性材料，天然木材有彈性模量低、徐變大、易老化和木纖維方向性敏感等缺點，且不耐臺風(fēng)、雨水侵蝕、蟲蝕等破壞性環(huán)境因素。在受拉區(qū)域存在槽朽、蟲蝕等缺陷的木梁的承載力顯著低于健康木梁，在載荷作用下，受壓區(qū)域邊緣纖維的應(yīng)變在遠沒有達到受壓極限應(yīng)變之前，受拉區(qū)域邊緣纖維即發(fā)生拉斷破壞；此種破壞為脆性破壞，嚴重消弱了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和抗震性能[3]。因此，木結(jié)構(gòu)特別是木梁構(gòu)件的增強需求較大。

纖維增強復(fù)合材料(FRP)因其輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、施工方便快捷、修復(fù)增強效果好等特性，已經(jīng)成為常用的增強材料[4-6]。使用FRP增強木梁可以充分利用FRP的抗拉強度高的特點，顯著提高增強梁的承載力和剛度。增強用FRP材料主要有碳纖維復(fù)合材料(CFRP)、玻璃纖維復(fù)合材料(GFRP)和芳綸復(fù)合材料(AFRP)，近年來玄武巖復(fù)合材料(BFRP)亦有少量使用。我國建筑工程每年使用的碳纖維及其復(fù)合材料近年來保持在千噸水平[7]。

FRP增強木梁一般是采用在木梁受拉面粘貼FRP布(見圖1)，或在木梁邊緣開槽溝布置FRP筋。

1 國內(nèi)FRP增強木梁研究的現(xiàn)狀

國外將FRP應(yīng)用于木梁增強的研究最早見于1964年，Wangard采用單向GFRP粘貼于不同種類木梁的受拉面，其后Theakson，Spaun和Plevris等人做了進一步的研究。他們的研究均顯示增強梁的承載力得到提高，且防止了木梁的脆性破壞[8-11]。國內(nèi)此方面的研究開始于2005年之后。以下分別考察國內(nèi)FRP增強木梁的理論研究和試驗研究現(xiàn)狀。

1.1 FRP增強木梁的理論研究

2005年，王鋒等人對預(yù)應(yīng)力FRP增強木梁做了理論計算，其計算表明對纖維材料施加預(yù)應(yīng)力能夠顯著減小構(gòu)件的變形，在增強梁跨中大部分區(qū)段內(nèi)的粘結(jié)應(yīng)力分布與按完全組合截面計算得到的應(yīng)力基本相同，在錨固區(qū)段，粘結(jié)應(yīng)力急劇增大，應(yīng)當(dāng)采取措施加強錨固以防止粘結(jié)失效[12]。

2006年，楊會峰和劉偉慶對FRP增強膠合木梁的彎曲變形做了解析分析，給出了增強梁在簡支受力狀況下的變形解析解，并與已有的試驗結(jié)果進行對比，顯示模型具有較高的精度，可以模擬梁的全過程變形與剛度變化[13]。2007年，他們對FRP增強膠合木梁的粘結(jié)剪應(yīng)力做了理論計算，將計算得到的最大粘結(jié)剪應(yīng)力與有限元分析方法的計算結(jié)果比較，相對誤差在5%以內(nèi)[14]。

2012年，邵勁松等人推導(dǎo)了FRP增強木梁的受彎承載力計算公式，并與36根木梁的抗彎試驗承載力比較，計算結(jié)果吻合良好[15]。

2013年，吳酈威等人對FRP增強含缺陷梁的理論分析表明：在木梁受拉側(cè)沿軸向粘貼CFRP布的增強梁的剛度高于側(cè)面粘貼的增強梁；增強梁的撓度隨CFRP布的厚度和彈性模量的增加而減??；最優(yōu)情況下，CFRP增強完全消除了裂縫因素[16]。

2019年，歐陽煜等研究了含初始裂紋木梁經(jīng)FRP增強后的穩(wěn)定性,通過數(shù)值求解方程,分析了CFRP布含量、裂紋深度和位置以及數(shù)量等因素對增強梁的極限承載力的影響,結(jié)果表明：CFRP增強可明顯減小裂紋深度和數(shù)量對極限承載力的影響,且在裂紋處彎矩較大或裂紋較深時增強效應(yīng)更顯著；增強梁的極限承載力在CFRP布含量達到一定值后,繼續(xù)增加CFRP布含量對極限承載力提高并不明顯[17]。

1.2 FRP增強木梁的試驗研究

1.2.1FRP片材和板材增強木梁的試驗研究

2007年，楊會峰等人對FRP增強楊木膠合梁的研究顯示，F(xiàn)RP增強可以分別提高受彎極限承載力和剛度達18%～63%和32%～88%，且增強梁的破壞形式大多表現(xiàn)為塑性受壓破壞[18]。

2008年，楊會峰等人研究了FRP增強原木梁(水杉和樟子松)的抗彎性能，結(jié)果表明：增強梁的極限承載力和剛度分別提高達17.7%～77.3%和10.9%～105.0%；FRP增強可避免或延緩木梁的受拉脆性破壞，降低木材缺陷對受彎性能的影響，充分利用木材的抗壓強度并可提高構(gòu)件的延性[19]。

2010年，王全鳳等人采用GFRP增強方案，對9根矩形截面木梁進行受彎試驗研究，其研究表明在木梁受拉區(qū)粘貼GFRP是提高木梁抗彎性能的有效方法[20]。

2011年，淳慶等人采用碳—芳混雜纖維布增強松木和杉木木梁，結(jié)果表明增強梁的抗彎承載力分別提高18.1%～62.0%(松木)和7.7%～29.7%(杉木)，剛度分別提高13%～21%(松木)和6%～10%(杉木)[21]。

2012年，邵勁松等人對FRP增強木梁的受彎試驗顯示：在木梁受拉區(qū)布置FRP可提高木梁受彎承載力30.61%；破壞形態(tài)表現(xiàn)為受壓區(qū)木纖維褶皺失穩(wěn)、受拉區(qū)木纖維和FRP增強層被拉斷；木梁受壓區(qū)設(shè)置FRP增強層對受彎承載力的影響與增強的方式有關(guān)，受壓區(qū)橫向纏繞FRP增強效果最好，而沿梁縱向增強的效果并不明顯[22]。

2014年，陸偉東等人研究了豎嵌CFRP板增強膠合木梁的受彎性能，其研究表明豎嵌CFRP板條層板增強的膠合木梁的受彎承載力及極限變形優(yōu)于傳統(tǒng)橫嵌CFRP板的增強方式，受彎承載力和剛度分別比未增強梁提高了34.2%～52.3%和8.0%～28.5%[23]。

2014年，塞爾江等人采用CFRP布增強新疆楊木梁，對11根矩形截面新疆楊木梁的抗彎靜力試驗顯示在受拉區(qū)粘貼CFRP布是提高抗彎性能的有效方法[24]。

2019年，朱兆陽等人研究了FRP板隱蔽式增強古建筑殘損木梁的抗彎性能，結(jié)果表明增強梁的抗彎極限承載力、抗彎剛度較未增強梁均有顯著提升，最優(yōu)增強木梁的抗彎性能與健康梁相當(dāng)[25]。

1.2.2FRP筋增強木梁的試驗研究

2009年，許清風(fēng)和朱雷采用內(nèi)嵌CFRP筋增強老化損傷舊木梁的試驗研究表明:內(nèi)嵌CFRP筋增強梁可提高受彎承載力；增強梁的破壞模式為延性受壓破壞，而未增強梁為脆性破壞[26]。

2013年，淳慶等人對內(nèi)嵌CFRP筋增強木梁的抗彎試驗結(jié)果表明：增強梁的抗彎承載力提高幅度分別為9.1%～16.9%(松木)和5.7%～21.6%(杉木)，延性也高于未增強梁[27]。

1.2.3FRP抗剪切增強木梁的試驗研究

截至目前，F(xiàn)RP增強木梁受剪性能的研究較少。木材為各向異性材料，其應(yīng)力分布、剪切破壞形態(tài)以及木梁孔洞附近的應(yīng)力分布形式不同于混凝土梁。FRP抗剪切增強木梁主要應(yīng)對木材順紋抗剪能力較弱的因素，常用增強方法是在木梁剪跨區(qū)的兩側(cè)粘貼FRP增強層和設(shè)置FRP抗剪栓釘。

2011年，淳慶和潘建伍研究了經(jīng)碳—芳混雜纖維布增強的松木和杉木梁的抗剪性能，結(jié)果表明，松木和杉木增強梁的抗剪承載力分別比未增強梁提高6.9%～109.6%和11.9%～103.6%[28]。

2 對目前研究的評述

2.1 缺乏對本構(gòu)模型的研究成果

多數(shù)研究者計算FRP增強木梁的理論承載力時，木材的本構(gòu)模型選擇Bazan于1980年提出的雙線性彈塑性模型(見圖2)[29]。Bazan模型認為木纖維受拉時表現(xiàn)為線彈性，受壓時在達到最大壓應(yīng)力前應(yīng)力應(yīng)變保持線彈性關(guān)系，達到最大壓應(yīng)力后應(yīng)力線性降低而應(yīng)變增長。截至目前，筆者尚未見到研究者提出新的本構(gòu)模型。在試驗中，經(jīng)過FRP增強后，增強梁受拉側(cè)應(yīng)變顯著降低，木梁由增強前的木纖維受拉破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌簠^(qū)破壞，表現(xiàn)為木纖維的壓皺褶和錯動撕裂，此時增強梁是否滿足平截面假定，需要更多的試驗數(shù)據(jù)支持。而目前所進行的試驗研究，一般均是在梁底和梁頂兩面貼應(yīng)變片，而缺乏沿橫截面的應(yīng)變測量數(shù)據(jù)，缺乏對平截面假定的驗證。

2.2 試件數(shù)量偏少

筆者統(tǒng)計了19項對FRP增強木梁所作的試驗研究，試件數(shù)量從4個到42個不等，平均值為13.8。木材屬于天然材料，具有內(nèi)在的不均勻性，即使是無裂縫蟲蝕等損傷，也可能隱含各種微小缺陷，導(dǎo)致材料性能變異性比較大。國外同類的試驗研究選取的試件一般在數(shù)十件以上，更有超過200個試件的。因此，目前國內(nèi)此方面的試驗研究選取的試件數(shù)量偏低。

2.3 缺乏長期性能研究

目前對FRP增強木梁的長期性能的研究報道很少，更缺乏在自然環(huán)境、惡劣環(huán)境中的長期性能研究。實踐中，只能參考復(fù)合材料研究領(lǐng)域的一些長期試驗結(jié)果，比如危成英等人對不同地區(qū)自然環(huán)境下CFRP復(fù)合材料的老化性能的試驗研究等[30]。

3 進一步研究的建議

筆者認為，未來可以增加如下幾個方面的研究：

1)結(jié)合新技術(shù)和新材料的發(fā)展，采用FRP型材、BFRP新材料以及施加預(yù)應(yīng)力等新方法增強木梁的研究。

2)FRP增強木梁在自然環(huán)境、惡劣環(huán)境中的長期性能(疲勞和徐變等)的研究。

3)增加試驗研究的試件數(shù)量，增加木材的本構(gòu)模型研究。

4)針對不同類型的初始缺陷，如槽朽、蟲蝕、裂紋和木節(jié)等，對FRP增強含缺陷木梁的研究等。