碳纖維增強復合材料加固柏木軸壓裂紋演化規律的研究

doi：10.3969/j.issn.1006-8023.2024.02.012

摘" 要：為研究2層不同角度碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）加固柏木的受壓裂紋演化規律，對分別粘貼2層30°、60°、90° CFRP的柏木進行單軸壓縮試驗，利用聲發射（Acoustic Emission，AE）技術和數字圖像相關（Digital Image Correlation，DIC）技術對試件的裂紋演化過程進行監測，最后結合數值模擬對試件的荷載位移曲線進行驗證并提供加固木材的方法指導。結果表明，聲發射信號可以反映試件裂紋的萌生規律及力學特性，CFRP 包裹角度越大，試件裂紋擴展越平緩，延性越高，最大承載力越高；RA-AF分析法和DIC表面云圖的結合可以反映試件裂紋類型、萌生的位置及擴展過程，試件的裂紋均以張拉型裂紋為主，且CFRP包裹角度越大，裂紋就越容易在端部產生；AE技術、RA-AF分析法、DIC技術和數值模擬的結合為進一步研究CFRP包裹角度與裂紋演化規律的影響關系提供參考。

關鍵詞：柏木；CFRP；聲發射；數字圖像相關技術；數值模擬；裂紋

中圖分類號：S781.2""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：1006-8023（2024）02-0102-15

Study on the Evolution Law of Axial Fracturing of Carbon Fiber Reinforced

Polymer/Plastic Reinforced Cypress

XIE Yuqiang， SHE Yanhua*， HUANG Junjie， LI Meng， HE Jiaming

（School of Urban Construction， Yangtze University， Jingzhou 434023， China）

Abstract：In order to study the evolution law of compressive cracks in two layers of CFRP reinforced cypress with different angles， uniaxial compression experiments were conducted on cypress wood with two layers of 30°， 60°， and 90° CFRP， respectively. Acoustic Emission （AE） technology and Digital Image Correlation （DIC） technology were used to monitor the crack evolution process of the specimens. Finally， numerical simulation was used to verify the load displacement curve of the specimens and provide guidance on strengthening the wood. The results showed that the acoustic emission signal can reflect the initiation law and mechanical characteristics of cracks in the specimen. The larger the CFRP wrapping angle， the smoother the crack propagation， the higher the ductility and the higher the maximum bearing capacity. The combination of RA-AF analysis method and DIC surface cloud map can reflect the type of crack， location of initiation， and propagation process of the specimen. The cracks in the specimen were mainly tensile type cracks， and the larger the CFRP wrapping angle， the easier it was for cracks to occur at the end. The combination of AE technology， RA-AF analysis method， DIC technology， and numerical simulation provides a reference for further studying the relationship between the wrapping angle of CFRP and the crack evolution law.

Keywords：Cypress; CFRP; acoustic emission; digital image correlation; numerical simulation; crack

收稿日期：2023-09-29

基金項目：國家自然科學基金項目（51408057）；住房與城鄉建設部科學技術項目（2021-K-0860）；湖北省自然科學基金項目（2023AFB804）。

第一作者簡介：謝玉強，碩士研究生。研究方向為結構健康安全監測。E-mail： xyq8u8@126.com

*通信作者：佘艷華，博士，副教授。研究方向為結構健康安全監測。E-mail： syh916@126.com

引文格式：謝玉強，佘艷華，黃俊杰，等。碳纖維增強復合材料加固柏木軸壓裂紋演化規律的研究[J].2024，40（2）：102-116.

XIE Y Q， SHE Y H ，HUANG J J， et al. Study on the evolution law of axial fracturing of carbon fiber reinforced polymer/plastic reinforced cypress[J]. Forest Engineering， 2024， 40（2）：102-116.

0" 引言

我國木結構建筑蘊蓋了宮殿、橋梁和園林等各大領域，即使其擁有高強重比和可再生等優異特性，但存在的易開裂、易老化等方面的缺陷，導致木結構建筑需要進行更好的加固和維修。纖維增強復合塑料（Fiber Reinforced Polymer ，FRP）材料因輕質高強、耐久性能好、抗疲勞性能好和可設計性強等優點近些年在木結構加固領域的應用越來越多。

國內外學者針對不同種類纖維布、不同加固方式及纖維布加固層數對加固試件的受力性能進行了研究，研究表明采用碳纖維增強復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）加固構件且采用環向加固方式的效果優于其他纖維布[1-4]，加固2層CFRP時對各類構件的承載力、極限位移和延性提升幅度最明顯[5-9]，同時結合數值模擬對相應的試驗結果進行驗證[10-11]。由于聲發射（Acoustic Emission，AE）技術可以定位試件損傷部位、活性和強度，Rescalvo等[12]利用聲發射技術研究了影響木材和CFRP之間的黏結界面結合能力的因素，Ghiassi 等[13]研究了聲發射信號在GFRP和磚脫黏過程中界面斷裂和損傷行為，胡玲等[14]比較了在不同粘貼層數下BFRP（玄武巖纖維布）與木材之間的極限荷載和黏結應力的分布情況。通過對聲發射基本參數的處理總結出的RA-AF分析法可以分析試件破壞過程中裂紋類型的演變，目前已經成功用作于表征裂紋在混凝土中的擴展特征[15-18]，近年來在木材領域中也有研究[19]。由于AE技術無法實現對裂紋擴展規律的預測，而數字圖像相關（Digital Image Correlation，DIC）技術可以通過對比變形前后的散斑位置得出試件表面測量區域的應變場和位移場填補這一缺陷，目前廣泛用于木材[20-21]、巖石[22]和煤巖[23]等領域，鞏翠芝等[24]將環境掃描電子顯微鏡下的力學試驗與數字散斑相關分析相結合，通過顯微觀察區域的位移場和應變場，可以定量分析木材的損傷斷裂行為，揭示木材的細、微觀力學損傷機制。李猛等[25]通過AE和DIC研究了不同含水率杉木軸壓時裂紋萌生規律。

前人研究表明利用AE技術、RA-AF分析法、DIC技術或數值模擬可以很好地反映試件裂紋萌生、裂紋類型及裂紋擴展過程。但以上學者研究試

件損傷過程的方法都比較單一，不能全面反映試件裂紋演化的過程，且通過RA、AF值分析裂紋類型的方法在木材領域中運用很少。所以綜合AE技術、RA-AF分析法、DIC技術和數值模擬在各研究領域的優勢，對2層不同角度CFRP包裹柏木的裂紋演化規律進行更全面更深入的研究。

1" 材料與方法

1.1" 試驗材料

試驗所用的木構件為川中丘陵區人工林的圓柱體柏木，木構件氣干含水率為8%，密度為0.365 g/cm3，樹齡為15 a，材料參數見表1；根據GB/T 3354—2014[26]測定的CFRP的力學性能見表2；粘貼膠水為廣東恒大新材料公司的卡夫特雙組份環氧樹脂類膠水，根據GB/T 6329—1996[27]和GB/T 6328—2021[28]測定其力學性能見表3。

1.2" 試件的制備和加載

制備了2層CFRP包裹角度（θ）分別為30°、60°、90°的圓柱體柏木構件各3個，共9個。試件的尺寸均為60 mm×200 mm（d×h），試件加固示意圖如圖1所示。

CFRP通過4個步驟黏附在木材上。首先，使用塑料膠帶將木材側面的黏合區域和上下面的非黏合區分開，防止環氧樹脂類膠水流入未黏合的區域影響試驗。其次，擦拭黏合區域的表面，然后用蘸有清潔劑的抹布擦拭，以防止氣泡在環氧樹脂類膠水層中形成，這將導致CFRP和木材表面之間的黏結不足。然后，將雙組份環氧樹脂類膠水按m1（環氧樹脂膠）∶m2（環氧固化劑）=2∶1配合使用先后施加到木材的黏合區域，并且在黏合劑完全凝固之前，將填充有環氧樹脂類膠水的CFRP布按不同角度纏繞到木材側面的黏合區域，然后用刷子沿CFRP包裹方向多次滾刷，充分排除CFRP和木材接觸面上的孔隙及氣泡，保證CFRP及試件緊密貼合，然后重復試驗將第二層CFRP粘

貼到第一層CFRP上，最后將包裹好的試件在室溫下靜置2周，保證黏合層完全硬化。需要注意的是，由于木材表面孔隙度和CFRP材料差異的原因，木材和CFRP之間膠水的使用量略多于CFRP之間膠水的使用量，但差異很小，試驗操作中保證膠水可以鋪滿各個表面且無氣泡，使兩者緊緊粘貼在一起即可。

柏木構件的軸壓荷載試驗在WAW-300 B微機電液伺服壓力試驗機進行，試驗過程采用位移加載方式進行，加載速率保持在0.2 mm/s。聲發射檢測系統為DS5動靜態聲發射一體機（北京軟島時代科技），木構件的表面粘貼6個聲發射傳感器，通道門限值為20 mV，傳感器頻率范圍為30～500 kHz，前置放大器增益為40 dB，聲發射傳感器位置如圖2所示。數字采集系統為XTDIC三維全場應變測量系統（新拓三維技術有限公司），由CCD相機和記錄分析儀組成，CCD相機放置在試件正前方250 mm處，用于采集木構件破壞時的完整圖像。試驗過程中，試驗機、聲發射系統和數字圖像系統三者同步采集數據。加載裝置如圖3所示。

1.3" RA-AF關聯分析法

在聲發射參數中，RA（上升時間與幅度的比值）和AF（振鈴計數與持續時間的比值）是一組表征試件破裂機制的重要參數。JCMS-IIIB5706提出將RA和AF進行關聯分析可以有效區分混凝土材料張拉型裂紋和剪切型裂紋，其判定方法如圖4所示[29]，以斜率為k的直線作為分界線，其左上部的高RA和低AF的信號對應剪切型裂紋，右下部的低RA和高AF的信號對應張拉型裂紋，在本研究中此處的k取50[18]。

2" 基于聲發射參數的裂縫擴展特征分析及結果

2.1" 基本參數分析

圖5為2層30° CFRP包裹柏木的0～60 s時間段的相應聲發射分析參量圖，第1階段為起始壓實階段（0～8.5 s），隨著構件自帶微裂縫的壓實和封閉，會產生少量的振鈴計數及能量，且累積振鈴計數、累積能量和荷載位移曲線斜率基本為0，幅值主要分布在60～85 dB范圍內；隨著荷載的施加，試件進入第2階段彈性變形階段（8.5～13.5 s），由于CFRP的加固一定程度限制了木材內部裂紋的產生，導致出現振鈴計數幅值抖動但大小仍然偏小，累積能量曲線的增長仍然不是很明顯，但高能量點增多大小在3 000以下，相應累積曲線斜率開始變大，高幅值數量變多。第3階段為穩定的裂紋擴展階段（13.5～21.5 s），聲發射信號的明顯增長起始點可以看作是彈性區和微裂紋的邊界，該階段加載至最大荷載的57%、加載點豎向位移為3.2 mm，振鈴計數出現第一個幅值和反復增加降低的現象，范圍在0～5 500，高能量事件發生也最頻繁，相應累積曲線斜率也相應增大， 幅值范圍分布在60～100 dB，可以看出70～90 dB的幅值分布更為集中，期間可以聽到輕微的開裂聲音，可以認為t=13.5 s時對應的豎向位移為3.2 mm是裂紋產生的時間點。第4階段為不穩定的裂紋擴展階段，當小裂紋合并貫穿形成大裂紋時就會出現聲發射信號指數增長，說明裂紋出現了不穩定擴展現象，此階段伴隨著持續的加載開裂聲音，但聲音很小，振鈴計數在32 s左右出現了峰值，大小在2 500左右，此后也出現了小幅度抖動，此后時間的高幅值分布較上一階段也更密集，說明在這個時間處CFRP出現斷裂現象，之前產生眾多裂紋高能量事件較為分散，累積振鈴計數和累積能量曲線斜率變得較上一階段平緩，在60 s左右，中下部大部分CFRP已經被拉壞，可以看出木材的中上部產生多條明顯的豎向裂紋，從而使其承載力急劇下降直至試件完全破壞。

從圖5（d）的峰值頻率分布密度顏色可以看出，木材峰值頻率隨到達時間呈帶狀分布，該帶狀峰值頻率稱為峰值頻帶?；诜逯殿l率的范圍，將CFRP包裹木材的峰值頻率分為4個峰值頻段，低頻段（0～50 kHz）、中低頻段（50～100 kHz）、中高頻段（100～150 kHz）和高頻段（150～200 kHz）。2層30° CFRP包裹木材主要形成4條峰值頻帶，f1（23.437 kHz）、f2（46.875 kHz）、f3（93.75 kHz）和f4（187.5 kHz），其中峰值頻率點在低頻段占比更高，主要范圍為0～25 kHz。

同理分析2層60°和90°聲發射參數變化規律（圖6和圖7），將t=12 s對應的加載點豎向位移為2.9 mm、t=3 s對應的加載點豎向位移為2.7 mm分別作為CFRP包裹角度為60°和90°試件裂紋產生的時間點。對比圖5—圖7，發現試件的承載力與累積振鈴計數呈負相關，90° CFRP包裹的柏木為承載力最大的試件，在裂紋發展前期（Ⅰ—Ⅲ階段）累積振鈴計數為6.8×103次，而60° CFRP包裹的試件為1.6×104次、30° CFRP包裹的試件為6.5×104次，這是因為承載力越小的試件更容易引起微裂紋的產生和擴展，從而導致聲發射信號更加活躍，累積振鈴計數就越大，說明CFRP的加固能夠抑制裂紋的萌生和擴展，并隨著加固角度增大，抑制效果更明顯；其次隨著CFRP包裹角度的增加，加載前期高能量點在減少，高能量事件出現的時間在滯后，結合荷載位移曲線可以得出，CFRP加固角度越大，試件的延性就越高，變形能力就越差。不同的是，90° CFRP包裹的3個試件中其中一個試件在進入彈性變形階段時就產生第1個聲發射振鈴計數峰值，說明此時內部產生第1個較大的裂紋，這可能是由于材料自身特性差異造成的，其他2個試件未表現出相似特征，但其聲發射信號在前3個階段都呈現較穩定的趨勢。綜上所述，CFRP加固角度越大，聲發射信號值就越低，越不容易發生徒增現象，說明裂紋發展得越平緩，從圖6（d）和圖7（d）的峰值頻率分布密度顏色可以看出，60° CFRP包裹木材主要形成4條峰值頻帶，f1（46.875 kHz）、f2（93.75 kHz）、f3（105.468 kHz）和f4（117.187 kHz），其中峰值頻率點在中高頻段占比更高，主要范圍為100～125 kHz；90° CFRP包裹木材主要形成4條峰值頻帶，f1（78.125 kHz）、f2（97.656 kHz）、f3（107.421 kHz）和f4（117.187 kHz），其中峰值頻率點在中高頻段占比更高，主要范圍為100～125 kHz。對比三者峰值頻率分布圖可以得出，CFRP包裹角度越大，聲發射峰值頻率參數點在中高頻段（100～150 kHz）的占比也越大。

2.2" RA-AF關聯分析法分析破壞類型

圖8為不同角度CFRP包裹柏木的實際損傷圖和聲發射損傷定位圖，聲發射損傷點越多說明在此區域損傷越嚴重。為保證數據分析的可靠性，圖9繪出不同角度CFRP包裹下加載至軸向位移10 mm時各試件破壞過程的RA-AF分布圖，可以看出RA值分布范圍大多集中在0～3 ms/V，AF值主要分布范圍為0～300 kHz，且裂紋發展類型均以張拉型裂紋為主。

從圖8（a）可以觀察到30° CFRP包裹的試件是沿著順紋方向從上到下被拉開破壞的，類似于劈裂破壞，產生的主要裂紋為張拉裂紋，聲發射三維損傷定位圖的損傷點的均勻分布情況也說明了這一點，當主要裂紋形成后若繼續加載，試件就會失穩，豎向裂紋就會往側面發展然后折斷，產生少量以高RA值低AF值為特征的剪切裂紋，且圖9（a）剪切裂紋的比例最高，故可以說明30° CFRP包裹破壞形式為全截面的拉剪混合破壞。從觀察圖8（b） 60° CFRP包裹的試件的破壞形式，其上部幾乎沒有觀察到裂紋且聲發射三維損傷定位圖上部也無損傷點，結合圖9（b）反映出來的低剪切裂紋的比例，可以判斷其裂紋是從中部以下某個位置開始萌生的，且產生的主要豎向裂紋在后期加載過程中向側面發展的情況輕于30° CFRP包裹的試件，最終破壞形式為底部的局部壓潰破壞。圖8（c）為90° CFRP包裹試件的破壞形式，其上部只觀察少量裂紋，下部有明顯的壓潰現象，裂紋較多，聲發射三維損傷定位圖上部有少量損傷點，損傷點更多集中在下部，結合圖9（c）和圖9（a）的剪切裂紋占例，可以綜合推斷出裂紋也有向側面發展的情況，最終破壞形式為端部的局部壓潰破壞。

3" 基于數字圖像系統的應變場分析

以上分析表明通過AE技術和RA-AF分析法可以分析裂紋萌生擴展的過程，包括裂紋向側面發展的情況，但在研究裂紋萌生位置及擴展方向的能力上有缺陷。文獻[30]在利用DIC研究BFRP與混凝土梁的界面脫黏行為中，發現在BFRP表面應變較大的區域，BFRP會優先發生脫黏，同時混凝土發生內聚破壞產生裂紋，而且在這些脫黏區域的剪應力會較大，說明黏貼劑可以很有效地將界面應力傳遞給包裹的纖維和混凝土基體；文獻[31]在研究CFRP加固木柱的試驗中，發現CFRP的拉壓應力與木柱該區域發生的拉壓變形具有一致性，當木柱被壓縮膨脹時，木柱的某處會產生裂紋和錯位，由于兩者之間具有的良好黏結性能，導致此處的CFRP條帶應變也會相應變大。因此，借助DIC技術監測的CFRP表面應變的變化來間接研究內部木材裂紋的萌生區域及擴展的方向。將A、B、C和D 4點分別作為彈性變形階段的開始、穩定的裂紋擴展階段的開始、不穩定的裂紋擴展階段的初期和不穩定的裂紋擴展階段的末期。

圖10為2層30° CFRP包裹柏木的各點表面應變云圖?？梢娺M入彈性變形階段時，應變云圖首次在中下部出現明顯應力集中區域，此處應變達到0.011 76，由圖10可以看出，在試件中部偏左的位置也有應變擴大趨勢；當試件加載剛進入到穩定的裂紋擴展階段時，應變云圖中側位置云圖逐漸發展已經形成了一個應變集中區域，中下部應力集中區域向側面延伸，此時應力集中區域的最大應變突然增加到0.034 47，說明此時已經有肉眼觀察不到的微裂紋開始產生；在不穩定的裂紋擴展階段初期，位移云圖紫色區域繼續向下延伸，應變云圖的2個應力集中點開始向中側部匯合，主要應變范圍為0.021 54～0.063 51，其他范圍應變變化不大，說明試件的裂紋在向側面擴展；當裂紋逐漸發展持續到不穩定的裂紋擴展階段的末期時，應變云圖的2個應力集中區域已經完全匯合，最大應變值增加到0.116 07，隨著應變的增大，試件開始失穩，縱向裂紋向兩側發展擴大，產生了明顯的豎向裂紋，中下部裂紋處的CFRP和木材開始脫離。

同理分析包裹角度為60°和90°試件的各點表面應變云圖規律（圖11和圖12），60° CFRP包裹的試件的受力薄弱處在中右側，B點應變的陡增說明裂紋在此處開始萌生，但產生微裂紋的區域不大，尚未成核形成宏觀裂紋，在C點2處應變集中區域繼續擴大，同時下側綠色區域的應變少量增加，說明裂紋在往下側發展，此時CFRP開始斷裂，在D點，試件的右下側出現斜向大范圍應變區域，結合圖8（b）可以觀察到，在此處的CFRP已經完全斷裂，內部木材被往外壓潰破壞；90° CFRP包裹的試件的受力薄弱處在上部和下部，裂紋從試件的上下位置開始萌生，C點處的試件左側出現了2處青色區域，D點處的試件下部出現的大應變紅色區域大于試件上部，2處應變大小陡增，試件左側應變大于右側部分，可以說明裂紋向左側發展，且下部裂紋比上部裂紋更多，結合圖8（c）可以觀察到，試件下側偏左的CFRP完全斷裂，木材向外被擠壓破壞。綜上所述，30° CFRP包裹的試件裂紋以往側面擴展為主，60° CFRP包裹的試件裂紋以往中下部擴展為主，90° CFRP包裹的試件裂紋以往上部和下部擴展為主，這說明CFRP包裹角度越大，裂紋就越容易在端部產生。

值得注意的是30° CFRP包裹的柏木應變云圖，在初期產生的2個應變集中區域在后期有明顯匯合現象，這就可以說明此試件初期在不同位置產生的裂紋在后期匯合了，而微裂紋的聚集與貫通產生的能量是最高的，這與聲發射能量歷程圖中高能量點的數量反映出來的結果一致，同時結合RA-AF分析法及試件實際破壞圖，說明裂紋類型以張拉型裂紋為主，破壞形式為拉剪混合破壞。

綜上所述，DIC技術監測CFRP表面應變的變化能反映木材裂紋的萌生區域及擴展的基本方向，同時結合AE技術和RA-AF分析法可以更全面地研究受約束木材裂紋的演化過程。

4" 數值模擬

4.1" 材料本構

1）由于木材各向異性的力學特性，本構關系參考文獻[32]，在ABAQUS中，采用工程常數來定義木材彈性階段，采用hill屈服準則來定義木材不同屈服面的塑性階段屬性，所需力學參數見表4[33]。

2） CFRP受拉時表現出脆性，一拉就斷，在達到抗拉強度時為理想彈性材料，故本構關系參考文獻[34]，所需力學參數見表5[35]。

（3）CFRP和木材之間的法線方向接觸采用“硬”接觸，切向方向接觸采用內聚力模型模擬層間膠體失效情況，基于牽引-分離準則的雙線性本構，如圖13所示[33]，所需參數見表6。

4.2" 單元類型及邊界條件

Abaqus分析步采用顯示動力學模塊，木材采用八節點線性實體單元C3D8R，CFRP采用三維四節點四邊形殼單元S4R。上下端板采用四節點三維雙線性剛性四邊形單元R3D4。端板與木材的法向接觸選擇硬接觸，切向選擇庫倫摩擦，系數為0.3。短板上下分別設置參考點，參考點均與端面相耦合，上部端板只允許發生軸向位移，其他方向的位移和轉角全部限制住，下部端板采用固定約束，采用上端參考點軸向位移加載方式施加力。

4.3" 結果分析

圖14（a）為未用CFRP包裹的柏木荷載-位移試驗值和模擬值結果對比，圖14（b）、圖14（c）和圖14（d）為CFRP包裹角度分別為30°、60°、90°下柏木荷載-位移曲線的試驗和模擬結果對比，可以看出兩者結果基本吻合，說明文中所建立的有限元模型及選取的材料本構關系是有效的。圖14表明隨著CFRP包裹角度的增加，試件荷載-位移曲線下降幅度逐漸變得平緩，即延性變高，這是由于CFRP對木材的加固效果隨著包裹角度逐漸增強，使得在豎向加載過程中兩者可以更好地協同受壓，延緩試件出現破壞導致承載力下降的時間；表7為不同CFRP包裹角度下試件的最大承載力試驗值和模擬值對比，可見試件的最大承載力隨著CFRP包裹角度的增加而提高，其中CFRP包裹角度為30°和60°時，最大承載力提高幅度僅為3.3%和4.2%，但當CFRP包裹角度為90°時，最大承載力提高幅度較明顯，為6.9%。

通過AE技術、RA-AF分析法可以分析裂紋萌生的時間點和裂紋往側面發展形成剪切裂紋的可能性，雖然CFRP環向的包裹與木材可以協同受力，通過DIC技術可以觀察到裂紋擴展的過程，但無法清晰定量地全面反映試件的損傷情況，故借助數值模擬更清楚更全面地呈現內部木材各個位置的應力情況和CFRP破壞情況從而對加固及修復木材提供方法指導。

圖15—圖17給出軸向位移為10 mm時，各組試件的應力及纖維拉伸損傷初始標準（HSNFTCRT）分布情況。可以看出，CFRP包裹角度越大，木材的米塞斯應力的紅色區域就越大，其破壞特征就越接近類似鋼筋混凝土適筋梁受壓時的破壞特征，當木材應變集中區域附近的CFRP破壞后木材受壓破壞，兩者更好地協同受力使木材充分發揮受壓特性，所以對木材加固的效果也就越好，相應試件的延性也就越好，圖17（c）和圖17（d）說明了這一點，90° CFRP破壞情況是最嚴重的。HSNFTCRT值越趨向于1說明CFRP受拉破壞越嚴重，可以看出30° CFRP包裹柏木的CFRP在中下部損壞最嚴重，中部和上端也有相應的損壞；60° CFRP包裹柏木的CFRP在各位置的損壞程度相當，在試件鼓曲附近的受拉損傷點較多；90° CFRP包裹柏木的第1層CFRP在中間部位有不同程度的受拉損傷，在兩端1/4處的損傷最嚴重，第2層CFRP的損傷點最多，范圍最大。

綜合數值模擬的云圖和試件實際破壞情況，提出以下經濟且高效的加固木材方式。針對30° CFRP包裹的柏木，以加固中部及以下區域為主；針對60° CFRP包裹的柏木，以加固中下側區域為主；針對90° CFRP包裹的柏木，可以采用間隔包裹的方式，加固位置分別以上部、中部和下部部分區域為主。

5" 結論

1）聲發射信號可以反映試件裂紋的萌生規律及力學特性。隨著CFRP包裹角度的增加，加載前期高能量點在減少，高能量事件出現的時間在滯后，累積振鈴計數在減少，峰值頻率點在中高頻段的占比在升高。說明CFRP包裹角度越大，聲發射信號越穩定，裂紋發展得越平緩，延性越高，最大承載力越高，變形能力越差。

2）實際損傷圖、聲發射損傷定位圖和RA-AF分析法的結合可以嘗試分析試件的破壞形式和裂紋的類型。30°、60°、90° CFRP包裹的試件破壞形式分別為全截面的拉剪混合破壞、底部的局部壓潰破壞和端部的局部壓潰破壞；試件的裂紋類型均以張拉型裂紋為主。

3）DIC技術可以通過呈現的各階段應變云圖來反映試件內部裂紋萌生的位置和擴展的方向。裂紋的萌生都是從試件不同位置的受力薄弱處開始產生的，30°、60°、90° CFRP包裹柏木裂紋擴展方向分別以向側面、中下部和兩端為主，這說明CFRP包裹角度越大，裂紋就越容易在端部產生。

4）模擬的荷載位移曲線與試驗結果吻合良好，并為更經濟更高效加固木材提供方法指導。30° CFRP包裹的柏木，以加固中部及以下區域為主；60 ° CFRP包裹的柏木，以加固中下側區域為主；90° CFRP包裹的柏木，可以采用間隔包裹的方式，加固位置分別以上部、中部和下部部分區域為主。

5）結合AE技術、RA-AF分析法、DIC技術和數值模擬的各個優勢可以對CFRP加固柏木軸壓裂紋的演化規律及損傷情況進行更全面更深入的研究。

【參" 考" 文" 獻】

[1]徐杰，姜紹飛.纖維布加固墩接木柱軸壓試驗[J/OL].哈爾濱工業大學學報，2023，1-10.

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