BFRP加固木梁抗彎性能的初始試驗

李飛,王全鳳,陳浩軍,黃奕輝

(1.華僑大學土木工程學院,福建泉州362021; 2.中國華僑大學建筑土木(澳門)協會,澳門999078)

BFRP加固木梁抗彎性能的初始試驗

李飛1,王全鳳1,陳浩軍2,黃奕輝1

(1.華僑大學土木工程學院,福建泉州362021; 2.中國華僑大學建筑土木(澳門)協會,澳門999078)

通過對6根矩形截面木梁的靜力試驗,研究玄武巖纖維布(BFRP)加固木梁的破壞特征、截面應變、極限承載力等抗彎性能.結果表明,BFRP加固木梁能夠有效提高木梁的承載力;在加載過程中,BFRP加固木梁的剛度有很大程度的提高.同時,受木節的影響,纖維布加固木梁存在很大的離散性.

木梁;玄武巖纖維布;加固;抗彎性能;極限承載力

在我國現存的古建筑中,木結構占有相當的比例,如杭州的六和塔和山西應縣木塔等都已有數百年的歷史.木結構建筑具有重量輕、溫暖舒適、健康環保等優點,比現代鋼結構和混凝土結構更具有自然親和力與民族特征.隨著社會生活品質的提高和對傳統建筑認識的價值回歸,人們越來越重視傳統木結構建筑的保護工作[1-3].木結構中的梁、枋、檁是整個木構架中的主要構件.從力學的角度分析,這些構件都屬于受彎構件[4].木材在空氣中易老化,受臺風、地震、雨水、廢氣等影響易被破壞.因此,對這些古建筑進行維修加固是一件迫在眉睫的事情[5].目前,在結構加固中用得比較多的纖維增強復合材料(FRP),主要是碳纖維(CFRP)、玻璃纖維(GFRP)和芳綸纖維(A FRP)[6-8].玄武巖纖維(BFRP)的耐高溫性、化學穩定性、耐腐蝕性、導熱性、絕緣性等許多技術指標優于其他纖維,且性價比高.基于此,本文對BFRP加固木梁的抗彎性能進行了初步試驗研究和分析.

1 試驗部分

1.1 試件設計

制作6根木梁,其中3根為對比梁,3根為加固梁,均為矩形截面(b×h=80 mm×120 mm),跨度為2 400 mm,凈跨為2 200 mm.考慮木材的離散較大,D-1,D-2,D-3均未加固,作為對比梁;B-1,B-2,B-3在梁底粘貼1層玄武巖纖維布,作為加固梁,延伸至距支座10 mm處.

1.2 材料性能

試驗梁所用的木材為福建水杉,其順紋抗拉強度為77.36 M Pa,順紋抗壓強度為36.03 M Pa,彈性模量為10.820 GPa;而粘接樹脂選用日本產的小西“E2500S型”樹脂,體積混合比為2∶1.加固材料性能,如表1所示.表1中:σt為拉伸強度;σs為壓縮強度;Ec為彈性模量;εl為極限應變.

1.3 加載方案及測量方案

試驗在華僑大學力學實驗室的200 kN微機控制電子萬能試驗機上進行.加載方式為通過分配梁兩點集中加載,在正式加載之前對試件進行預加載,然后,按3 kN·m in-1緩慢加載直至破壞.

表1 加固材料的性能指標Tab.1 Mechanical p roperties of BFRP

試驗測量內容包括木梁跨中位移、支座沉降,跨中截面木纖維的應變.在梁跨中截面沿高度均勻設置5個應變片,所有測量數據均由DH3816型靜態應變測量系統同步采集.加載裝置及測點布置,如圖1所示.

圖1 加載裝置及測點布置(單位:mm)Fig.1 Loading setup and distribution of measuring points(unit:mm)

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態及極限荷載

對比梁和加固梁在加載前期,材料基本處于

彈性狀態.隨著荷載的增加,跨中撓度增大.加載過程中未出現裂縫,支座沉降很小,可忽略,在木梁達到極限荷載之前,可以聽到明顯的木纖維斷裂聲,但表面觀察不到任何開裂,之后伴隨著“啪”的一聲脆響,木梁突然斷裂(同時加固梁的玄武巖纖維布受應力集中作用被分條拉斷).

對比梁和加固梁均是由于受拉區缺陷處受拉木纖維達到極限拉應變而破壞,破壞點為跨中或加載點處,均屬受彎破壞(圖2).這是因為木材抗拉強度對缺陷處產生的應力集中比較敏感.由于BFRP布的錨固長度較長,沒有出現端部剝離破壞.所有梁的試驗結果,如表2所示.表2中:Pl為極限荷載.從表2中可以看出,加固梁的承載力比未加固梁均有很大程度提高.由于選材不當,試件D-3,B-2跨中含有較大木節,材質等級很低,實驗數據相對較差,將不再進行討論.

表2 試件的測試結果Tab.2 Test results of specimens

圖2 試件的破壞形態Fig.2 Failuremodes of specimens

圖3 試件的荷載-撓度曲線Fig.3 Load-deflection curve of specimens

2.2 荷載-撓度曲線

木梁在整個加載過程中,其荷載(P)-撓度(Δ)曲線分為線性、屈服兩部分,如圖3所示.加載初期,木梁處于彈性階段,荷載-撓度曲線為線性;然后,木梁進入塑性階段,剛度減小,撓度增加較快.破壞前變形很大,屬延性破壞,加固梁的延性要比未加固的梁好一些.從圖3中可明顯看出,加固梁的剛度也有很大的提高.

2.3 荷載-應變曲線

木梁跨中截面各測點的應變(ε)隨荷載(P)的變化曲線,如圖4所示.從圖4中可以看出,在整個加載過程中,各測點的應變-荷載關系基本上是線性的;當受壓區應變達到曲屈服極限時,木梁中性軸下移,各測點的應變增長較快,說明受壓區進入塑性階段.

2.4 平截面假定的驗證

試件的跨中截面應變分布,如圖5所示.從圖5中可以看出,在彈性階段,加固梁和未加固梁的應變沿高度(h)方向的分布基本符合平截面假定.因此,在計算和分析時可以把平截面假定作為一個基本假定.在塑性階段,中性軸的位置隨著荷載的增大下移,這是因為木材的抗壓屈服極限較抗拉屈服極限低很多(文中木材抗拉屈服強度是抗壓屈服強度的2倍).隨著荷載的增大,受壓區的木纖維首先進入塑性狀態;而由于截面上的總應力為0(N=0),隨著荷載的增加,玄武巖纖維布的貢獻也越來越大,截面拉應力總和也在增大,為達到新的平衡,中性軸下移.

圖4 試件的荷載-應變曲線Fig.4 Load-strain curve of specimens

圖5 試件的跨中截面應變分布Fig.5 Cross section strain distribution of specimens

3 結論

通過6根木梁(其中3根為對比梁,3根為加固梁)的破壞試驗,得到如下一些4點結論.

(1)梁底粘貼一層玄武巖纖維布能有效地提高木梁的極限承載能力,在文中平均提高幅度大約在28%左右.

(2)由荷載-撓度曲線的斜率可以看出,粘貼玄武巖纖維布能提高木梁的剛度.通過對曲線彈性區的擬合,由曲線斜率可計算出剛度提高幅度大約在34%左右,效果比較明顯;同時,木梁的延性也有很大提高.

(3)加固梁和未加固梁的應變沿高度方向的分布基本符合平截面假定,因此在計算和分析時,可以把平截面假定作為一個基本假定.

(4)梁底粘貼玄武巖纖維布同樣能起到很好的抗彎加固的效果,且較梁底粘貼碳纖維布經濟實惠.

[1] 蔣湘閩,胡平.碳纖維布加固木梁抗彎性能的試驗研究[J].工業建筑,2005,35(8):35-39.

[2] 許清風,朱雷.FRP加固木結構的研究進展[J].工業建筑,2007,37(9):104-108.

[3] 張大照.CFRP加固修復木柱梁性能研究[D].上海:同濟大學,1998.

[4] 王增春,何艷麗,王溥,等.FRP加固木結構的應用和研究[J].建筑技術開發,2004,31(3):13-14.

[5] 謝啟芳,趙鴻鐵.碳纖維布加固木梁抗彎性能的試驗研究[J].工業建筑,2007,37(7):104-107.

[6] 吳照華.碳纖維布加固古建筑木梁的性能研究[D].西安:西安建筑科技大學,2007.

[7] 馬建勛,蔣湘閩,胡平,等.碳纖維布加固木梁抗彎性能的試驗研究[J].工業建筑,2005,35(8):35-39.

[8] 周鐘宏.碳纖維布加固木結構構件的性能研究[D].南京:南京工業大學,2005.

Experimental Investigation on Bending Behavior of Timber Beams Strengthened with BFRP Sheets

L IFei1,WANG Quan-feng1, CHEN Hao-jun2,HUANG Yi-hui1
(1.College of Civil Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China; 2.Association of A rchitecture and Civil Engineering of Huaqiao University,Macao 999078,China)

Acco rding to the static Experiments of 6 rectangular timber beam s strengthened w ith basalt fiber reinfo rced polymer(BFRP)sheets,the bending Behavio r is investigated,including the failure characteristic,strain on section and ultimate load carrying capacity.The experimental result indicates that BFRP strengthening increases efficiently the load carrying capacity,ductility and rigidity of timber beam.A large discretenessof result exists due to knag.

timber beam;basalt fiber reinfo rced sheet;strengthening;bending behavior;ultimate load carrying capacity

TU 366.202

A

(責任編輯:錢筠 英文審校:方德平)

1000-5013(2010)06-0688-04

2009-11-19

王全鳳(1945-),男,教授,主要從事工程結構力學分析、結構抗震及加固的研究.E-mail:qfwang@hqu. edu.cn.

澳門特別行政區科學技術發展基金資助項目(524/263/SAF/2008);福建省泉州市科技計劃項目(2006G7)