FRP木夾芯柱高溫后軸心受壓的試驗研究

陳宇 蔡穎 吳凱莉

南京工業大學 土木工程學院 江蘇 南京 211800

前言

纖維增強復合材料（FRP）憑借其輕質高強、耐腐蝕性好、設計靈活、耐疲勞等優點，廣泛用于結構加固改造、房屋建造、橋梁建設等領域，備受國內外工程師、研究人員、設計人員們的青睞。

目前，國內外大部分研究主要針對室溫下FRP夾芯結構的性能研究。美國Oklahoma大學對FRP加固木柱的抗壓性能進行了試驗研究，研究表明采用FRP環向纏繞加固木柱可提高抗壓極限承載力約17%。同濟大學的張大照[1]，南京工業大學的邵勁松[2-3]，四川大學的梁危[4]等人，先后通過試驗研究了不同加固方式對木柱抗壓性能的影響，并得出FRP加固木柱的破壞模式及極限承載力的計算公式等結論。然而，上述研究僅報道了室溫下的試驗研究，為適應現代工程結構向大跨、高聳、重載、輕質發展的需求, 纖維增強復合材料（FRP）作為結構材料的高溫后性能尤為重要。但一般FRP不能在高溫下長期使用，通用聚酯FRP在50℃以上強度就明顯下降，一般只在100℃以下使用；通用型環氧FRP在60℃以上，強度有明顯下降[5]。因此考慮FRP高溫后剩余強度十分必要。

本文采用3層FRP纖維布環向加固不同截面尺寸木柱，進行高溫后軸心受壓的試驗研究，了解高溫后FRP夾芯木柱的抗壓性能變化，為FRP構件和結構的抗火設計及火災后的損傷評估、加固提供依據。

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

試驗共進行3組纖維增強復合材料夾芯木柱高溫后軸向性能的對比試驗研究。試驗所采用的夾芯木材均為泡桐木，其氣干密度約為250-300kg/m3，導熱系數小，燃點高達425℃，抗壓強度為26.5MPa。加固材料統一為FRP纖維增強復合材料，并設計纖維布層數為3層（約1.8mm），纖維方向統一正交布。夾芯柱外觀尺寸為40mm×40mm×120mm（方形）和40mm×120mm（圓形）兩種。設計4種溫度：20℃（室溫）、Tg（玻璃化轉變溫度120℃）、200℃、300℃。試件統一編號為X Y ，其中X為試件規格，有S：方形夾芯泡桐木，C：圓形夾芯泡桐木，W：泡桐木；Y為鍋爐溫度，有T0：20℃，T1：Tg，T2：200℃，T3：300℃。編號示意：ST0代表方形夾芯泡桐木受溫度20℃。具體見表1：

表1 試件編號及主要參數

1.2 試驗安排

試驗在南京工業大學復合材料試驗室中進行。將試件置于高溫爐中進行加熱，待柱子中心溫度升至指定溫度時，繼續保持爐溫恒定半小時，確保柱子內部溫度均勻且穩定。將柱子從高溫爐中取出后，冷卻至室溫后放于MTS萬能試驗機上進行加載，荷載-位移曲線通過微機電腦進行采集。正式加載前先進行預壓以確保承壓臺座基礎穩固，試驗采用連續均勻加載方式，加載速度為2mm/min，當荷載下降至極限荷載并觀察一定延性后，實驗結束。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗過程

（1）A組。在荷載增加過程中，原木試件呈典型的軸壓破壞特性。試件WT0、WT1、WT2在加載過程中均具有一定的延性，試件WT0和試件WT1順45°錯位軸壓破壞，試件WT2開始出現豎向裂縫，端部木纖維壓碎，仍基本為軸壓破壞。而試件WT3呈明顯的脆性破壞特征，在加載初期碳化層即發出聲響劈裂破壞，出現豎向裂縫貫通試件。

（2）B組。在荷載增加過程中，方形試件呈典型的軸壓破壞特性。不同溫度試驗下，加載后試件ST的破壞形態基本相似，均為延性破壞。試件加載初期，先是某一部位局部FRP纖維崩斷發出聲響，隨后破壞處周圍纖維布出現褶皺直至拉斷，明顯出現橫向裂縫，試件仍均為軸壓破壞。

（3）C組。在荷載增加過程中，圓形試件呈典型的軸壓破壞特性。試件CT0由于端部壓曲而破壞；試件CT1隨荷載增加，出現不規則FRP纖維崩斷痕跡和縱橫裂縫；試件CT2和CT3初期橫向變形很小，局部FRP崩裂后木柱錯位變形，周圍一圈纖維布受力相繼向外崩裂破壞，呈麻花狀，也屬于軸壓破壞。

典型試件破壞形態見圖1。

總之，試件破壞基本呈軸壓破壞特征，不同溫度試驗加載后同組試件的破壞形態基本相似，多數為延性破壞，但其中的試件WT3為脆性破壞。

2.2 試驗結果分析

3組試件的荷載-位移曲線見圖2～4

圖2 A組的荷載-位移曲線圖

圖3 B組的荷載-位移曲線圖

圖4 C組的荷載-位移曲線圖

由圖1～4可知，試件的受力過程可分為三個階段：第一階段，試件達到極限承載力之前，荷載與位移成正比，三組試件性能類似原木柱。此時在加載初期，加載荷載較小，試件的橫向變形也很小，FRP對木柱的約束壓力小，約束作用并不明顯。第二階段：試件承載力首次達到峰值后，荷載隨著位移增大而下降，之后加固試件應力重分布，出現荷載“回升”現象。木柱先是局部木纖維屈曲壓碎破壞，使得木柱承載面積減小，導致大范圍木纖維都相繼屈曲破壞。加固試件在FRP約束作用下應力重分布，能繼續承擔荷載作用。試件表面微裂縫緩慢發展，FRP對木柱的橫向約束得到體現，直至纖維層充分發揮作用，木柱的延性得到明顯改善。第三階段，承載力達到極限，木柱破壞變形。FRP約束力不能再維持試件的穩定，木柱中部出現明顯的45°錯動變形，未破壞部分的FRP繼續限制壓碎部分向外側彎折變形，此時荷載緩慢地發生下降。

表2 試件的極限荷載

由表2知，軸壓木柱經FRP加固后的承載力和變形能力均得到提高，極限承載力隨溫度的增加而明顯降低。由A、B組的試驗結果比較可得，正交纏繞FRP的試件對應在不同溫度下顯著提高木柱承載力183.48%～244.23%；由B、C組的試驗結果比較可得，截面積更大的B組試件顯然比C組試件承載力更高；對比室溫和120℃、200℃、300℃高溫下的木柱承載力可知，每組試件極限承載力都隨溫度的增加而明顯降低，其中C組在室溫和120℃下極限承載力下降幅度很小，幾乎忽略不計，A組和B組極限承載力在200℃下仍有室溫下承載力的61.36%～74.51%，200℃后承載力急速下降，可見方形木夾芯柱高溫后的承載能力優于圓形木夾芯柱。

3 結束語

本文主要進行了FRP加固木夾芯柱試件高溫后的試驗研究，根據材料特性和試驗現象，對比分析了各設計參數對試件工作性能產生的影響。可得到如下結論：

（1）FRP木夾芯柱基本為延性破壞，原木柱部分是脆性破壞。FRP加固試件的破壞緣于木纖維屈曲壓碎破壞，主要表現為FRP包裹層的壓皺破壞，破壞前都有明顯預兆，為延性破壞。原木試件的破壞表現為木纖維在薄弱處受壓褶皺，向外彎折變形，出現斜45°破壞面和縱向裂縫，仍是延性破壞，但是300℃下，原木受壓直接劈裂破壞，為脆性破壞。

（2）FRP對木柱的約束作用顯著提高木柱的受壓承載能力。采用FRP加固木柱可提高木柱的承載力，改善木柱的變形能力，正交纏繞FRP的試件對應在不同溫度下顯著提高木柱承載力達179%～233%，隨著溫度的升高，增幅逐漸變緩。

（3）FRP木夾芯柱極限承載力隨溫度的增加而明顯降低，方形木夾芯柱高溫后的承載能力優于圓形木夾芯柱。每組木柱的極限承載力都隨溫度的增加而明顯降低，其中C組在室溫和120℃下極限承載力下降幅度很小，幾乎忽略不計，但200℃下承載力只有原先的46.7%左右，而A組和B組極限承載力在200℃下仍有室溫下承載力的61.8%～65.3%。

（4）高溫后木夾芯柱承載力下降原因主要包括：高溫后木材強度的明顯劣化；高溫使得FRP性能降低，樹脂軟化，FRP與木柱連接面發生剝離。