碳纖維布鋪貼方式對方形長楊木結構的力學性能提高試驗分析

林金宗

（福建上若工程技術有限公司，福建廈門 361100）

木結構由于其具有良好的耐久性、抗震性、抗老化性等特點而被廣泛使用[1-2]。但木結構在物理、化學等復雜環境下會出現破損等情況，從而導致其承載力發生顯著的變化，因此需要采取相應的方法來提高其力學性能[3-6]。如魯艷蕊等得出碳纖維復合材料布進行加固后，構件的承載力可以明顯提高[7]。褚少輝等推導了玄武巖纖維布加固墻體的抗剪承載力計算公式[8]。尹犟等分析了影響輕型木剪力墻受力性能的關鍵因素及低周反復加載機制[9]。阿斯哈等得出木材與筋材之間良好的協同工作性能是保證其加固效果的基礎[10]。張柳柳等得出將纖維增強復合材料用于木構件的加固及修復可改善并彌補木材的缺陷[11]。

上述研究學者通過加固的方法來達到提高木結構力學性能的目的，本文也采用這一思路，采用碳纖維布來提高楊木結構的力學性能，與他們不同的是，本實驗還分析了不同的鋪貼方式對楊木結構力學性能提高的影響。因此可以根據實際的使用條件、經濟條件來選取合適的碳纖維布數量。

1 材料和方法

試驗木材采用東莞市天嘉裝飾材料有限公司生產的尺寸為100mm*100mm*1200mm 的新疆楊木，其抗拉強度為113.4MPa，彈性模量為10GPa，抗壓強度為41.2MPa，極限拉伸長度約為50.1mm；并且該楊木含水率滿足GB/T 1931-2009《木材含水率測定方法》和GB/T 1928-2009《木材物理力學試驗方法總則》；碳纖維布為北京萬吉建業建材有限公司生產，其厚度約為0.2mm，寬為400mm，高為30mm，抗拉強度為4300MPa，彈性模量為210GPa；兩種材料之間的粘合劑采用湖南固特邦土木技術發展有限公司生產的固特邦纖維復合材結構樹脂膠JN-C3P，其抗拉強度約為54.3MPa；彈性模量為3000GPa。

根據GB/T50329-2002 《木結構試驗方法標準》，對方形長楊木結構進行力學性能試驗測試，通過不同的碳纖維布鋪貼方式設計試驗方案。具體的為，方案A：延楊木結構全長滿鋪碳纖維布，即需要40 塊碳纖維布；方案B：延楊木結構間隔一塊鋪碳纖維布，即需要20 塊碳纖維布；方案C：延楊木結構間隔三塊鋪碳纖維布，即需要10 塊碳纖維布。結合生產的滿荷載為1000kN 的壓力機對三種楊木結構進行抗壓強度、抗拉強度測試；當楊木結構被拉伸破壞后，通過卷尺記錄拉伸長度，即極限拉伸長度。

2 楊木結構抗壓強度變化規律

根據三種試驗方案，對楊木結構進行抗壓強度試驗，實驗結果如表1 所示。從表1 中可以看出，在楊木結構上鋪碳纖維布能夠明顯的提高楊木結構的抗壓強度，具體的為：當采用方案A，即滿鋪碳纖維布時，楊木結構的抗壓強度比未鋪碳纖維布的楊木結構提高了95.15%；當采用方案B，即間隔一塊鋪碳纖維布時，楊木結構的抗壓強度比未鋪碳纖維布的楊木結構提高了61.89%；當采用方案C，即間隔三塊鋪碳纖維布時，楊木結構的抗壓強度比未鋪碳纖維布的楊木結構提高了24.51%。這是因為當鋪碳纖維布后能夠使得楊木結構處于三向受壓的狀態，從而提高楊木結構的抗壓強度[12-14]。

表1 楊木結構抗壓強度變化

對比方案A 和方案B 可以看出，當提高一倍的碳纖維布數量時，楊木結構的抗壓強度提高了20.54%；對比方案B 和方案C 可以看出，當提高一倍的碳纖維布數量時，楊木結構的抗壓強度提高了30.02%。可見隨著碳纖維布的鋪貼數量越多，楊木結構的抗壓強度提高效率會有所減緩，但抗壓強度值很高，因此可以根據實際的使用條件、經濟條件來選取合適的碳纖維布數量。

3 楊木結構抗拉強度變化規律

根據三種試驗方案，對楊木結構進行抗拉強度試驗，實驗結果如表2 所示。從表2 中可以看出，在楊木結構上鋪碳纖維布能夠明顯的提高楊木結構的抗拉強度，具體的為：當采用方案A，即滿鋪碳纖維布時，楊木結構的抗拉強度比未鋪碳纖維布的楊木結構提高了59.52%；當采用方案B，即間隔一塊鋪碳纖維布時，楊木結構的抗拉強度比未鋪碳纖維布的楊木結構提高了39.15%；當采用方案C，即間隔三塊鋪碳纖維布時，楊木結構的抗壓強度比未鋪碳纖維布的楊木結構提高了19.58%。這是因為當鋪碳纖維布后能夠與楊木結構共同承受拉力，從而提高楊木結構整體的抗拉強度[15-18]。

表2 楊木結構抗拉強度變化

對比方案A 和方案B 可以看出，當提高一倍的碳纖維布數量時，楊木結構的抗拉強度提高了14.64%；對比方案B 和方案C 可以看出，當提高一倍的碳纖維布數量時，楊木結構的抗拉強度提高了16.37%。可見隨著碳纖維布的鋪貼數量越多，楊木結構的抗拉強度提高效率會有所減緩，但抗拉強度值提高，因此可以根據實際的使用條件、經濟條件來選取合適的碳纖維布數量。

4 楊木結構極限拉伸長度變化規律

根據三種試驗方案，對楊木結構進行極限拉伸長度試驗，實驗結果如表3 所示。從表3 中可以看出，在楊木結構上鋪碳纖維布能夠明顯的提高楊木結構的極限拉伸長度，具體的為：當采用方案A，即滿鋪碳纖維布時，楊木結構的極限拉伸長度比未鋪碳纖維布的楊木結構提高了40.52%；當采用方案B，即間隔一塊鋪碳纖維布時，楊木結構的極限拉伸長度比未鋪碳纖維布的楊木結構提高了23.15%；當采用方案C，即間隔三塊鋪碳纖維布時，楊木結構的極限拉伸長度比未鋪碳纖維布的楊木結構提高了6.19%。這是因為當鋪碳纖維布后能夠與楊木結構共同承受拉力，從而提高楊木結構整體的延性[16-20]。

表3 楊木結構極限拉伸長度變化

對比方案A 和方案B 可以看出，當提高一倍的碳纖維布數量時，楊木結構的極限拉伸長度提高了14.10%；對比方案B 和方案C 可以看出，當提高一倍的碳纖維布數量時，楊木結構的極限拉伸長度提高了15.98%。可見隨著碳纖維布的鋪貼數量越多，楊木結構的極限拉伸長度提高效率會有所減緩，但極限拉伸長度值提高，這說明碳纖維增強復合材料后楊木結構變形能力得到有效改善，如果在地震作用下可以提高楊木結構的抗延性破壞能力。因此可以根據實際的使用條件、經濟條件來選取合適的碳纖維布數量。

5 結論

1)通過滿鋪碳纖維布、間隔一塊鋪碳纖維布和間隔三塊鋪碳纖維布的楊木結構相對于未鋪碳纖維布的楊木結構的抗壓強度分別提高了95.15%、61.89%和24.51%；隨著碳纖維布的鋪貼數量越多，楊木結構的抗壓強度提高效率會有所減緩，但抗壓強度值很高。

2)通過滿鋪碳纖維布、間隔一塊鋪碳纖維布和間隔三塊鋪碳纖維布的楊木結構相對于未鋪碳纖維布的楊木結構的抗拉強度分別提高了59.52%、39.15%和19.58%；隨著碳纖維布的鋪貼數量越多，楊木結構的抗拉強度提高效率會有所減緩，但抗拉強度值很高。

3)通過滿鋪碳纖維布、間隔一塊鋪碳纖維布和間隔三塊鋪碳纖維布的楊木結構相對于未鋪碳纖維布的楊木結構的極限拉伸長度分別提高了40.52%、23.15%和6.19%；隨著碳纖維布的鋪貼數量越多，楊木結構的極限拉伸長度提高效率會有所減緩，但極限拉伸長度值很高。