BFRP 加固新疆楊木長(zhǎng)柱軸心受壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究＊

魏思田，王冉，柳興華，劉鑫，夏庫拉·巴合特巴依，譚鑫宇

（新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047）

新疆楊木是一種就地取材、可再生的建筑材料，具有一定的抗壓、抗拉和抗彎強(qiáng)度，普遍應(yīng)用于南疆地區(qū)的古建筑、村鎮(zhèn)建筑中作為受力構(gòu)件[1]。由于木材本身存在天然缺陷，其耐久性較差，經(jīng)過一定的服役期后其力學(xué)性能有所降低，因此有許多學(xué)者采用螺栓加固法、附加梁板法、化學(xué)灌漿法、上下附加構(gòu)件法等改善其力學(xué)性能，但這些加固方法會(huì)對(duì)原有建筑的外貌和環(huán)境產(chǎn)生一定的影響[2]，亟須研發(fā)一種低干預(yù)、便于施工的加固技術(shù)。粘貼BFRP 具有耐侵蝕、易于施工、宜替換與修補(bǔ)等優(yōu)點(diǎn)[3-6]，同時(shí)也可以為二次加固提供有利條件，因此在木柱加固中具有良好的應(yīng)用前景。

近年來，許多學(xué)者開展了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）加固木柱的研究。李浪等[7-8]選用FRP 螺旋形纏繞方式和環(huán)向纏繞方式對(duì)樟松木圓木柱進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明承載力和剛度都有所提高，特別指出FRP 加固有木節(jié)木柱的極限承載力和剛度的提高是以犧牲延性為代價(jià)。尤其以劉清團(tuán)隊(duì)[9-13]通過不同粘貼材料、粘貼層數(shù)、簡(jiǎn)單的粘貼方式進(jìn)行了受壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究，研究指出，短柱軸心受壓時(shí)滿貼加固的承載力和約束橫向應(yīng)變的能力優(yōu)于間隔加固，但2 種加固方式都一致表現(xiàn)出2 層加固與1 層加固相差不明顯；針對(duì)長(zhǎng)柱受壓得出，初始偏心距對(duì)其承載力的影響程度明顯大于長(zhǎng)細(xì)比，而長(zhǎng)細(xì)比對(duì)構(gòu)件的橫向、縱向位移的影響更為明顯，粘貼2 層比1 層的效果更為顯著?；羧瘥惖萚14]采用8 字形及縱橫交叉2 種纏繞方法在短柱的外側(cè)粘貼碳纖維布增強(qiáng)進(jìn)行軸壓試驗(yàn)研究，研究表明，縱橫向纏繞碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）對(duì)極限承載力提高幅度較大，橫向變形約束效應(yīng)也顯著，增加CFRP厚度效果更明顯。周長(zhǎng)東等[15-17]針對(duì)內(nèi)嵌鋼筋外包CFRP 布復(fù)合加固法木柱展開力學(xué)性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，加固效果顯著，大幅度提高了木柱的承載力和延性，并依據(jù)試驗(yàn)數(shù)的回歸分析，提出了復(fù)合加固木柱的承載力計(jì)算模型和三折線型與多項(xiàng)式型2 種復(fù)合加固木柱的軸心受壓應(yīng)力-應(yīng)變模型。

分析以上文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，研究集中于粘貼材料、加固方式和加固厚度的變化對(duì)受壓柱力學(xué)性能影響的研究，相比粘貼方式較單一，且實(shí)際工程中由于各種偶然因素造成初始偏心，針對(duì)此受壓狀態(tài)設(shè)計(jì)BFRP 加固新疆楊木長(zhǎng)柱的試驗(yàn)研究相對(duì)較少。因此，本研究采用BFRP 加固新疆和田楊木，針對(duì)特定尺寸長(zhǎng)柱分別設(shè)計(jì)BFRP 縱向粘貼、橫向滿貼變化纏繞方式展開長(zhǎng)柱軸心抗壓全過程的破壞形態(tài)和力學(xué)性能的試驗(yàn)研究具有一定的必要性，能為新疆楊木加固提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料屬性

木材選用新疆和田楊木，BFRP 選用浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料單向纖維布，幅寬為1 000 mm，樹脂采用L-500A/B 結(jié)構(gòu)膠，A/B 結(jié)構(gòu)膠質(zhì)量配合比為2∶1，其材料力學(xué)主要性能如表1 所示。

表1 材料的力學(xué)屬性

1.2 試件設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)制作了4 組共12 根軸心受壓方形新疆楊木柱，分別對(duì)應(yīng)如圖1 所示的未加固與3 種不同加固方式，試件尺寸及相關(guān)信息如表2 所示。

圖1 加固方式示意圖

表2 方形楊木柱軸心受壓試件尺寸及相關(guān)信息

1.3 加載方案及測(cè)量方案

本試驗(yàn)在新疆大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室500 kN 微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)（WEY-5000）上進(jìn)行。模擬受壓木柱兩端鉸支約束設(shè)計(jì)刀鉸裝置，如圖2 所示，根據(jù)GB/T 50329—2012《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，加載方式為連續(xù)勻速位移加載，試驗(yàn)開始先對(duì)木柱施加4～8 kN的荷載作為預(yù)加載，隨后控制壓力機(jī)以2 mm/min 的速度進(jìn)行加載，當(dāng)試件發(fā)生明顯破壞時(shí)停止試驗(yàn)。

圖2 加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置圖

為了準(zhǔn)確測(cè)得試件變形量，在方木柱的中部四面分別粘貼了橫向和縱向的應(yīng)變片，采用DH3816 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，具體應(yīng)變測(cè)點(diǎn)位置如圖2（a）所示。同時(shí)，在試件中部左右各設(shè)置水平位移計(jì)1 個(gè)，試件1/4 高度和3/4 高度處各設(shè)置1 個(gè)水平位移計(jì)，用于測(cè)量柱子軸心受壓時(shí)發(fā)生的彎曲變形和水平位移，位移計(jì)布置如圖2（b）所示。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞過程

試驗(yàn)表明，所有長(zhǎng)柱試件都是軸心受壓轉(zhuǎn)變偏心受壓的中部彎曲破壞模式，但破壞過程表現(xiàn)不同，如圖3 所示。YMZZX-0-1700 試件在試驗(yàn)初期剛開始加載時(shí)，木柱皆未發(fā)生明顯變化，荷載增加至極限荷載的80%～90%時(shí)，木柱中部出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，隨后達(dá)到極限荷載，荷載降低至極限荷載的75%時(shí)，木柱連續(xù)發(fā)出響聲，柱中凹側(cè)木材橫向壓潰，褶皺長(zhǎng)度水平擴(kuò)展40 ～50 mm，之后凸側(cè)中部木纖維拉斷。YMZZX-1-1700 試件破壞順序與YMZZX-0-1700 相似，為先出現(xiàn)彎曲后達(dá)到極限承載力，然后凹側(cè)先纖維褶皺壓潰，最后凸側(cè)纖維拉斷，只是加固試件的彎曲變形相對(duì)緩慢些。YMZZX-2-1700、YMZZX-3-1700試件則表現(xiàn)為先達(dá)到極限荷載，后木柱試件突然彎曲，當(dāng)荷載下降至極限荷載70%～80%時(shí)有了細(xì)微間斷的響聲，下降約極限荷載的60%時(shí)纖維褶皺壓潰，最后出現(xiàn)凸側(cè)纖維拉斷的現(xiàn)象。說明較長(zhǎng)柱在側(cè)面縱向粘貼BFRP 可以提高木構(gòu)件材料強(qiáng)度，改善構(gòu)件的變形能力。

圖3 方形新疆楊木柱破壞形態(tài)

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 加固方式對(duì)承載力的影響

加固方式不同對(duì)極限承載力的影響程度有一定的差別，軸心抗壓試驗(yàn)結(jié)果信息如表3 所示。

表3 試件軸心抗壓試驗(yàn)結(jié)果信息

BFRP 不同加固方式下長(zhǎng)柱試件的承載力提高幅度不同：采用橫向滿貼、橫向滿貼加縱向粘貼、橫向間隔粘貼加縱向粘貼時(shí)，與未加固試件相比，新疆楊木柱極限承載力提高幅度分別為4.89%、6.53%、0.94%。其中橫向滿貼加縱向粘貼加固極限承載力提高幅度最大。

3.2 荷載-縱向位移曲線

荷載-縱向位移曲線圖如圖4 所示。由圖4 可知：①加固柱和未加固柱荷載-縱向位移曲線都表現(xiàn)為上升段和下降段，荷載初期曲線基本呈直線，在軸向荷載作用下，加固柱的縱向位移明顯大于未加固柱的縱向位移；②與未加固柱比較，橫向滿貼、橫向滿貼加縱向粘貼、橫向間隔粘貼加縱向粘貼加固試件的縱向位移提高幅度分別為18.96%、44.38%、15.64%，其中橫向滿貼加縱向粘貼加固最為顯著；③加固柱與未加固柱的極限承載力后下降段斜率幾乎沒有變化，表明整個(gè)受壓過程加固柱的縱向變形在達(dá)到極限荷載之前已基本完成全過程的約80%。

圖4 荷載-縱向位移曲線圖

荷載-水平位移曲線如圖5 所示。由圖5 可知：試件加固柱和未加固木柱的水平位移變化趨勢(shì)有差別，荷載初期未加固柱的水平位移變形約束效果明顯，靠近縱坐標(biāo)，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的40%時(shí)，加固增強(qiáng)，斜率開始有了較明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，極限荷載后下降階段橫向滿貼加縱向粘貼方式的斜率相對(duì)表現(xiàn)顯得平緩些。

圖5 荷載-水平位移曲線圖

3.3 荷載-應(yīng)變曲線

不同加固方式荷載-應(yīng)變曲線如圖6 所示。由圖6可知：①曲線基本表現(xiàn)為直線，相同荷載作用下，加固柱的應(yīng)變小于未加固柱的應(yīng)變，木柱的整體彈性模量增大，BFRP 參與受力，分擔(dān)了部分荷載。②橫向應(yīng)變明顯小于縱向應(yīng)變，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變比值為0.4～0.5，說明對(duì)橫向約束效果更明顯，其中橫向滿貼加縱向粘貼約束能力最強(qiáng)，縱向和橫向應(yīng)變均最小。

圖6 不同加固方式荷載-應(yīng)變曲線圖

4 結(jié)論

本文通過3 種BFRP 加固長(zhǎng)度木柱軸心受壓試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論。

BFRP 加固長(zhǎng)柱試件均表現(xiàn)為以中部彎曲破壞形式，但對(duì)于受壓長(zhǎng)柱增加側(cè)面縱向粘貼，破壞順序有所改變，由先發(fā)生彎曲破壞后達(dá)到極限承載力的過程轉(zhuǎn)變成先達(dá)到極限承載力后出現(xiàn)彎曲破壞，變形能力有一定程度的提高，但承載力提高效果不明顯。

采用橫向滿貼、橫向滿貼加縱向粘貼、橫向間隔粘貼加縱向粘貼3 種加固方式，加固與未加固試件比較，極限承載力提高幅度分別為4.89%、6.53%、0.94%，縱向位移提高幅度分別為18.96%、44.38%、15.64%。相較而言，橫向滿貼加縱向粘貼加固效果最顯著，一定尺寸長(zhǎng)柱粘貼纖維布增強(qiáng)雖然縱向變形增長(zhǎng)明顯加快，延性得到一定程度的改善，但極限承載力提高幅度有限。

在荷載作用下，加固柱的應(yīng)變小于未加固柱的應(yīng)變，木柱的整體彈性模量增大，說明粘貼纖維布的橫向約束效果更明顯。