外貼CFRP板對膠合木柱軸壓性能的影響

左宏亮 李昂 賈茗睿

摘 要：為解決膠合木柱在軸心受壓狀態(tài)下易出現(xiàn)脆性破壞的問題，同時提高膠合木柱承載力，設(shè)計并研究碳纖維增強(qiáng)復(fù)合板CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastics Board）板布置方式和配置率對膠合木柱軸心受壓性能的影響。對15根膠合木方柱進(jìn)行軸壓性能試驗，分析試件柱破壞形態(tài)、極限承載力、荷載-縱向位移曲線、延性系數(shù)和柱中荷載-應(yīng)變曲線等。研究結(jié)果表明，外貼CFRP板增強(qiáng)法可提高試件極限承載力與剛度，增強(qiáng)柱承載力提高幅度為4.31%～18.77%，在CFRP板布置方式相同的情況下，平均極限承載力隨著CFRP板配置率的增加而提高；在CFRP板配置率相同的情況下，承載力提高幅度分散布置略大于集中布置；增強(qiáng)柱延性系數(shù)提高幅度為11.23%～27.59%，延性系數(shù)隨CFRP板配置率的增加而增大，集中布置提升效果優(yōu)于分散布置。樟子松膠合木與CFRP板具有良好的協(xié)同作用，可以達(dá)到共同工作的效果。

關(guān)鍵詞：膠合木柱；軸心受壓性能；CFRP板；延性系數(shù)；增強(qiáng)

中圖分類號：S772；TU366.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8023（2023）03-0191-08

Abstract：To solve the problem of brittle damage of glulam columns under axial compression， and to improve the bearing capacity of glulam columns， the effect of Carbon Fiber Reinforced Plastics Board （CFRP） board layout and disposition ratio on the axial compression performance of glulam columns was designed and studied. The axial compression performance of 15 square glulam columns was tested， the failure form， ultimate bearing capacity， load-longitudinal displacement curve， ductility coefficient， load-strain curve and so on were analyzed. The results showed that the ultimate bearing capacity and stiffness of the specimens can be improved by the CFRP board strengthening method， and the bearing capacity of the strengthened columns can be increased by 4.31%-18.77% ， the average ultimate bearing capacity increased with the increase of the CFRP board configuration ratio. Under the same configuration rate of the CFRP boards， the increase of the bearing capacity was slightly larger in the distributed arrangement than in the centralized arrangement. The increase range of ductility coefficient was 11.23%-27.59% . The ductility coefficient increased with the increase of CFRP board ratio. The improvement effect of centralized arrangement was better than dispersed arrangement. The glulam column of Pinus sylvestris var. mongolica and the CFRP board had a good synergistic effect and can work together.

Keywords：Glulam column; axial compression property; CFRP board; ductility coefficient; reinforcement

基金項目：黑龍江省自然科學(xué)基金項目（LH2020E009）

第一作者簡介：左宏亮，博士，教授。研究方向為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)、工程結(jié)構(gòu)鑒定和改造加固技術(shù)。E-mail： ZHL9163@163.com

0 引言

木結(jié)構(gòu)具有可再生、無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，國家也越來越關(guān)注與重視綠色建筑，對木結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行了大力支持。在國內(nèi)政策大環(huán)境下，不論是環(huán)保建造要求，還是木材進(jìn)口，都為我國木結(jié)構(gòu)的使用、發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。膠合木是常用的工程木之一，具有良好的耐久性、可裝配式施工和尺寸自由度大等優(yōu)點(diǎn)[1-5]，但膠合木柱在軸心受壓狀態(tài)易發(fā)生脆性破壞。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）自重輕、強(qiáng)度高。使用FRP材料增強(qiáng)木結(jié)構(gòu)可以避免如用嵌縫加箍或化學(xué)灌漿等方法加固木結(jié)構(gòu)時，對原有結(jié)構(gòu)的破壞和化學(xué)腐蝕污染[6]可以有效加固并彌補(bǔ)木材因木節(jié)導(dǎo)致局部應(yīng)力集中和易受腐蝕的缺陷[7]。近年來FRP因其強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)異性能逐漸為工程界所認(rèn)可[8]，試驗研究使用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要為碳纖維（CFRP）、玻璃纖維（GFRP）和玄武巖纖維（BFRP）等。CFRP具有高比強(qiáng)、高比模、耐疲勞和耐磨損等性能，應(yīng)用范圍廣泛[9]。增強(qiáng)使用的纖維形式主要以纖維布、纖維板為主。外貼FRP法是建筑結(jié)構(gòu)工程常用的增強(qiáng)技術(shù)，可以使纖維復(fù)合材料與建筑結(jié)構(gòu)共同工作，提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力，從而達(dá)到對原結(jié)構(gòu)加固和增強(qiáng)的目的。膠合木柱作為結(jié)構(gòu)體系中主要的縱向受力構(gòu)件，起著重要作用[10-11]。阿斯哈等[12]采用內(nèi)嵌鋼筋外包纖維布的復(fù)合加固方法，設(shè)計制作了27根方形截面木柱，通過對不同位置嵌入鋼筋并粘貼碳纖維布增強(qiáng)的木柱進(jìn)行軸壓試驗，建立了符合加固木柱軸心受壓承載力計算模型，為復(fù)合結(jié)構(gòu)增強(qiáng)木柱的研究奠定了基礎(chǔ)。將內(nèi)嵌筋材，外包FRP布同時應(yīng)用于木柱加固[12]，可提升木柱工作性能。但由于鋼筋的局部外凸作用，方形木柱的CFRP布易發(fā)生脆性斷裂破壞，內(nèi)嵌鋼筋也削弱了木柱本身的強(qiáng)度。目前國內(nèi)外關(guān)于木柱縱向增強(qiáng)加固的方法主要為嵌鋼筋、嵌碳筋和嵌碳板等，現(xiàn)有的增強(qiáng)研究也多針對古建筑原木柱，有關(guān)膠合木柱的增強(qiáng)研究非常少[13-15]。外貼CFRP板法不僅能夠提高承載力，還可以避免因嵌鋼筋或碳板等對結(jié)構(gòu)本身的削弱及嵌縫部位的應(yīng)力集中而產(chǎn)生的不利影響。

本研究為解決膠合木柱在軸心受壓狀態(tài)下易出現(xiàn)脆性破壞的問題，采用外貼CFRP板增強(qiáng)膠合木柱以提高木柱的抗壓性能及延性性能，并研究不同CFRP板布置方式及配置率對膠合木柱軸壓性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗所用膠合木柱的基材為樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica），測得含水率約為13%，氣干密度為0.43 g/cm3。材性試驗尺寸依據(jù)《木結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50329—2012）[16]確定。經(jīng)過試驗測定其順紋方向的抗壓強(qiáng)度為53.03 MPa、抗壓彈性模量為17 634.99 MPa；增強(qiáng)膠合木柱所需要的增強(qiáng)材料是由東莞市協(xié)創(chuàng)復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的平紋啞光CFRP板，CFRP板的材性試驗試件尺寸依據(jù)《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗方法》（GB/T 1447—2005）[17]確定。試驗測得CFRP板抗拉強(qiáng)度為2 000 MPa，彈性模量為140 GPa；CFRP板使用的結(jié)構(gòu)用膠采用卡本科技集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的CFRP-A/B碳板膠，使用時按照體積比A膠∶B膠=2∶1進(jìn)行配比，抗拉強(qiáng)度為49.2 MPa，彈性模量為4 543 MPa。

1.2 試件設(shè)計

試件尺寸為150 mm×150 mm×700 mm，倒角半徑為5 mm，共制作15根膠合木柱，每組3根，分為5組，組別編號分別為ZA、ZB-1、ZB-2、ZB-3與ZB-4，ZA組為普通膠合木柱試件；ZB組為外貼CFRP板增強(qiáng)膠合木柱試件。CFRP板配置率的計算方法為板的橫截面面積與柱橫截面面積之比。試件分組、CFRP板的配置率見表1。CFRP板布置方式如圖1（a）所示。

1.3 試驗裝置與測點(diǎn)布置

加載裝置為PWS-30000電液伺服壓力試驗機(jī)，將2個量程100 mm的位移計分別布置于試件兩側(cè)，用于測量試件在軸壓狀態(tài)下的整體位移，試驗加載裝置如圖1（b）所示。膠合木柱和碳纖維板表面的應(yīng)變值橫向由粘貼柵長×柵寬=20 mm×3 mm的應(yīng)變片進(jìn)行量測，縱向由粘貼柵長×柵寬=50 mm×3 mm的應(yīng)變片進(jìn)行量測。CFRP板布置形式及應(yīng)變片布置如圖2所示。

為減少試驗誤差，在試驗前進(jìn)行預(yù)加載，預(yù)加荷載值F0取破壞荷載估計值的1/50，依據(jù)《木結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50329—2012）[14]，正式加載采用連續(xù)均勻加載方式，以0.3 mm/min的加載速率直至試件破壞，當(dāng)荷載下降至極限荷載的85%時，停止試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要試驗現(xiàn)象

未采取增強(qiáng)措施的膠合木柱試件，接近極限荷載時出現(xiàn)連續(xù)聲響，柱體表面出現(xiàn)局部壓潰與裂縫，并迅速達(dá)到極限荷載。普通膠合木柱破壞形態(tài)可分為2種：木材局部壓潰破壞和沿木節(jié)破壞，如圖3所示。

增強(qiáng)柱在加載前期木材出現(xiàn)連續(xù)響動，隨著施加荷載的增大，逐漸有輕微的間斷清脆響聲，臨近極限荷載時，出現(xiàn)柱中截面被局部壓潰、明顯的斜裂縫等試驗現(xiàn)象，隨后試件發(fā)生破壞。在增強(qiáng)組中各選出一根破壞現(xiàn)象明顯的試驗柱，增強(qiáng)后的試件破壞形態(tài)可分為4種模式，依次為沿順紋45°斜向破壞、端頭壓屈破壞、木材局部壓潰破壞和木材劈裂破壞。對應(yīng)的試驗柱分別為ZB-（3）（外貼8片25 mm寬2 mm厚的CFRP板）、ZB-（1）（外貼4片50 mm寬2 mm厚的CFRP板）、ZB-（4）（外貼8片25 mm寬4 mm厚的CFRP板）、ZB-（2）（外貼4片50 mm寬4 mm厚的CFRP板）。增強(qiáng)柱的破壞形態(tài)如圖4所示。

2.2 荷載-位移曲線

對ZA和ZB組木柱的試驗結(jié)果進(jìn)行分析，以位移值為水平軸，以荷載大小為縱向軸，繪制得到荷載-位移曲線，如圖5所示。各試件的延性系數(shù)通過計算得到，取極限荷載的85%作為屈服荷載，對應(yīng)位移為屈服位移；取卸載到極限荷載的85%作為破壞荷載，對應(yīng)位移為破壞位移。力學(xué)性能參數(shù)見表2。

經(jīng)過增強(qiáng)的試件在彈性階段的斜率均大于普通膠合木柱，即外貼CFRP板在不同程度上可有效提高膠合木柱的剛度。當(dāng)達(dá)到極限荷載后，曲線進(jìn)入下降趨勢，普通膠合木柱下降段較短且下降突然，破壞形式為脆性破壞；而增強(qiáng)柱下降段較長且較為平緩，說明經(jīng)過CFRP板增強(qiáng)的試件提高了抗變形能力。

2.2.1 極限承載力

與未采取增強(qiáng)措施的普通膠合木柱相比，集中布置2 mm厚和4 mm厚CFRP增強(qiáng)組、分散布置2 mm厚和4 mm厚CFRP板增強(qiáng)組，以上共4組增強(qiáng)試件柱，其平均極限承載力以不同程度呈增加趨勢，提高幅度為4.31%～18.77%。布置CFRP板增強(qiáng)的試件組ZB-1、ZB-2、ZB-3、ZB-4平均極限承載力分別提高了4.31%、18.42%、4.61%、18.77%；在CFRP板布置方式相同的情況下，根據(jù)試驗結(jié)果可知，布置4 mm厚的CFRP板比2 mm厚的承載力有顯著提高，集中布置和分散布置分別提高了14.11%和14.15%；但在CFRP板配置率相同的情況下，布置方式對CFRP板增強(qiáng)的試件承載力提升效果不顯著。

通過對比數(shù)據(jù)可知，在CFRP板布置方式相同的情況下，平均極限承載力隨著CFRP板厚度的增加而提高；在CFRP板配置率相同的情況下，分散布置CFRP板對承載力的提高幅度略大于集中布置。

2.2.2 延性

與普通膠合木柱相比，增強(qiáng)試件柱組的平均延性系數(shù)均有明顯提高，提高幅度為11.23%～27.59%。布置CFRP板增強(qiáng)的試件組ZB-1、ZB-2、ZB-3、ZB-4的延性系數(shù)分別提高了12.90%、16.47%、11.24%、12.92%。在外貼CFRP板布置方式相同的前提下，粘貼4 mm厚的CFRP板比2 mm厚的試件平均延性系數(shù)有所提高。集中布置組提高了3.57%，分散布置組提高了1.67%；在外貼CFRP板的配置率相同的前提下，外貼2 mm厚CFRP板組提高了1.66%，外貼4 mm厚CFRP板組提高了3.55%。

2.3 柱中荷載-應(yīng)變曲線

每個試驗組中選取1根具有典型破壞形態(tài)的試驗柱，對柱中橫向應(yīng)變及縱向應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并繪制出柱中荷載-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖6所示。

試驗?zāi)局谳S向受壓過程中，縱向受壓，橫向受拉，圖6中坐標(biāo)軸左半部分為受壓區(qū)，應(yīng)變值為負(fù)；右半部分為受拉區(qū)，應(yīng)變值為正。由圖6可知，木柱的荷載應(yīng)變曲線可大致分為彈性階段和彈塑性階段。彈性階段應(yīng)變變化幅度小而荷載增加較快，斜率呈線性趨勢。此后斜率變緩，進(jìn)入彈塑性階段。

普通膠合木柱的荷載-應(yīng)變曲線彈性階段基本呈線性趨勢，彈塑性階段表現(xiàn)不明顯；經(jīng)過增強(qiáng)后的膠合木柱荷載-應(yīng)變曲線可以觀察到試驗初期曲線呈線性趨勢，而后曲線斜率逐漸降低，彈塑性階段非常明顯，塑性變形明顯。

圖7是將普通膠合木柱與布置方式相同但CFRP板厚度不同的膠合木柱進(jìn)行對比，未增強(qiáng)膠合木柱的荷載-應(yīng)變曲線彈塑性階段不明顯；經(jīng)過不同CFRP板配置率增強(qiáng)的膠合木柱，均表現(xiàn)出明顯的彈塑性階段，且隨著CFRP板配置率的增加，彈塑性階段越明顯。同時，相比于未增強(qiáng)膠合木柱的荷載-應(yīng)變曲線，經(jīng)過增強(qiáng)的試件極限荷載顯著增加，橫向極限應(yīng)變顯著減小，說明外貼CFRP板的增強(qiáng)方式提高了膠合木柱的極限荷載，并且有效地抑制了膠合木柱的橫向變形。荷載-應(yīng)變曲線位于彈性階段時，在同一級荷載的作用下，經(jīng)增強(qiáng)的膠合木柱縱向應(yīng)變明顯減小，但經(jīng)不同CFRP板配置率增強(qiáng)的試件曲線趨勢相近，說明CFRP板配置率對縱向應(yīng)變減小幅度影響不顯著。

圖8是將普通膠合木柱與CFRP板配置率相同但布置方式不同的膠合木柱進(jìn)行對比，不同布置方式的外貼CFRP板增強(qiáng)方式對膠合木柱的縱向變形起到了一定的支撐作用。在荷載-應(yīng)變曲線彈性階段，外貼相同厚度CFRP板的前提下施加至同一級荷載，集中布置CFRP板的縱向木材應(yīng)變小于分散布置CFRP板的縱向木材應(yīng)變。在荷載施加至800 kN時，外貼2 mm厚CFRP板組中ZB-1應(yīng)變?yōu)?2 268×10-6、ZB-3應(yīng)變?yōu)?2 608×10-6；外貼4 mm厚CFRP板組中ZB-2組應(yīng)變?yōu)?2 646×10-6、ZB-4應(yīng)變?yōu)?2 711×10-6；通過觀察集中布置與分散布置CFRP板增強(qiáng)膠合木柱試件的縱向木材荷載-應(yīng)變曲線，可以發(fā)現(xiàn)集中外貼CFRP板的膠合木柱試件的彈塑性階段更明顯。

2.4 木材與CFRP板協(xié)調(diào)作用

木材與CFRP板的共同作用效果是影響增強(qiáng)組試件承載力、抗壓剛度及延性提高幅度的重要因素之一，圖9為增強(qiáng)組試件中木材與CFRP板的荷載-縱向應(yīng)變曲線。

由圖9可知，加載初期由于木材并未產(chǎn)生縱向變形，所以木材與CFRP的荷載-縱向應(yīng)變曲線趨勢相近；隨著荷載的增加，木材因受壓導(dǎo)致部分木纖維擠壓產(chǎn)生縱向變形，木材縱向應(yīng)變逐漸小于CFRP板縱向應(yīng)變。當(dāng)試件柱的荷載-縱向應(yīng)變曲線進(jìn)入到彈塑性階段時，木材與CFRP板的曲線變化趨勢基本一致，直至試件到達(dá)極限荷載。分析表明，木材表面縱向應(yīng)變與CFRP板的縱向應(yīng)變分布曲線相近，二者可以協(xié)調(diào)變形、共同工作。

3 結(jié)論

1）CFRP板增強(qiáng)膠合木柱在軸心受壓狀態(tài)下存在4種破壞形態(tài)分別為：木材局部壓潰、端頭壓屈破壞、木材劈裂破壞、沿順紋45°斜向破壞。經(jīng)過增強(qiáng)的試件柱有效地抑制了脆性破壞的發(fā)生。

2）外貼CFRP板增強(qiáng)膠合木柱可提高極限承載力與剛度。在CFRP板布置方式相同的情況下，平均極限承載力隨著CFRP板配置率的增加而提高；在CFRP板配置率相同的情況下，分散布置CFRP板對承載力的提高幅度略大于集中布置。

3）與普通膠合木柱相比，外貼CFRP板可以有效地提高膠合木柱的延性系數(shù)，抑制試件的變形。增強(qiáng)件的延性系數(shù)隨著CFRP板配置率的增加而增大，集中布置CFRP板對延性系數(shù)的提升效果優(yōu)于分散布置。

4）經(jīng)增強(qiáng)的試件極限應(yīng)變均顯著減小，有效地抑制了膠合木柱的變形。CFRP板配置率在一定程度上影響了抑制效果；集中布置CFRP板抑制試件變形的效果優(yōu)于分散布置。木材表面縱向應(yīng)變與CFRP板的縱向應(yīng)變分布曲線相近，二者可形成有效的協(xié)同作用、共同工作。

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