gfrp加固矩形木梁抗弯性能研究

gfrp加固矩形木梁抗弯性能研究

0主要构件方面结构是中国传统建筑的最重要结构形式。到目前为止，中国仍有大量的结构房屋、桥梁、寺庙和其他建筑。木结构中的梁、枋、檩是整个木构架中的主要构件,从力学的角度分析,这些构件都属于受弯构件。由于木材自身的材性缺陷(节子、裂纹等)和周围环境的影响(雨水、虫害等),再加上年久失修,导致这些构件的承载力降低,甚至出现弯曲劈裂、底部折断及糟朽折断等现象,因此,急需对这些古建筑进行维修加固。对玻璃纤维布(GFRP)加固木梁的抗弯性能进行了试验研究和理论分析,为木构件的加工设计及工程加固应用提供参考。1加固梁的受弯试验考虑到木材离散性较大,对比梁和两种加固梁均各制作3个加固方式相同的试件。共进行了9根矩形截面木梁的受弯试验,其中D-1~D-3为3根对比梁;6根加固梁中,G1-1~G1-3为梁底贴1层GFRP布,G2-1~G2-3为梁底贴2层GFRP布。试件均为矩形截面(b×h=80mm×120mm),跨度2400mm,净跨2200mm,棱角处沿纵向全长作半径8mm圆弧形倒角。2树脂型的木材试验梁所用木材为福建水杉,粘结树脂选用日本产小西E2500S型树脂,体积混合比为2∶1。木材采用福建水杉,其顺纹抗拉和抗压强度分别为77.36,36.03MPa,弹性模量为10820MPa。加固材料性能指标详见表1。3预加载和缓冲器试验试验在华侨大学力学试验室200kN微机控制电子万能试验机上进行,加载方式为通过分配梁两点集中加载,在正式加载前对试件进行了预加载,之后按照3kNmin缓慢加载,直至破坏。试验测量内容为木梁跨中位移、支座沉降和跨中截面木纤维的应变。在梁跨中截面沿高度均匀设置5个应变片,所有测量数据均由静态应变测量系统DH3816同步采集,加载装置及测点布置见图1。4试验结果及分析4.1应力集中受拉后纤维与木材实行拉拔对比分析为构件在加载前期,材料基本处于弹性状态。随着荷载的增加,跨中挠度增大。加载过程中未出现裂缝,支座沉降很小,可忽略。在木梁达到极限荷载之前,可以听到明显的木纤维断裂声,但表面观察不到任何开裂,之后伴随着“啪”的一声脆响,木梁突然断裂,同时纤维布受应力集中作用被分条拉断,为明显的脆性破坏。对比梁和加固梁均是由于受拉区缺陷处受拉木纤维达到极限拉应变而破坏,破坏点为跨中或加载点处,均属受弯破坏。这是因为木材抗拉强度对缺陷处产生的应力集中比较敏感。由于GFRP布的锚固长度较长,没有出现端部剥离破坏。对比梁、单层GFRP加固梁、两层GFRP加固梁的极限荷载平均值分别为19.09,25.06,27.65kN;可用极限承载力分别为5.66,6.48,6.95kN(可用极限承载力是指跨中挠度达到120木梁长度时的承载力)。表明通过在木梁受拉面粘贴GFRP,可以显著提高木梁的抗弯极限承载能力。单层GFRP加固木梁的抗弯极限承载能力提高了31.31%,两层GFRP加固的梁承载力提高44.88%,效果好于单层加固的。4.2延性破坏与破坏演化木梁破坏力学分析木梁在整个加载过程中的荷载-挠度曲线分为线性阶段和屈服阶段两部分,见图2。由图可见,加载初期,木梁处于弹性阶段,荷载-挠度曲线为线性,之后木梁进入塑性阶段,刚度减小,挠度增加较快。破坏前变形很大,属延性破坏。加固梁的延性要比未加固的梁好,可明显看出,加固梁的刚度也有很大的提高。5gfrp对加固木梁的理论分析5.1木材应力-应变关系1)木梁截面应变符合平截面假定;2)试验荷载达到抗弯承载力极限状态前,纤维布与木梁间以及布与布之间粘结可靠,无相对滑移、应变协调,且梁底纤维布的应变等于梁底受拉区木材的应变,即忽略纤维布厚度对纤维布应变的影响;3)木材受拉为线弹性状态,受压为理想弹塑性状态,其应力-应变关系采用Bachtel和Norris的模型,分析中木材受压区极限压应变取受压区弹性极限应变的3.3倍,且受弯时截面的受拉和受压的弹性模量相等;4)GFRP的应力-应变关系为线弹性,且不承受压应力。5.2高温时期木材弯曲受拉破坏破坏类型的分类根据文中试验结果和分析,GFRP加固木梁破坏类型可分为木材弯曲受拉破坏和木材弯曲受压破坏。由于加固在木梁受拉面的GFRP参与工作,所以GFRP加固木梁应力应变分布的情况不同于未加固木梁。(1)破坏类型Ⅰ考虑木梁受拉区受木节、干裂等缺陷的影响,当木材抗压强度大于木材弯曲抗拉强度时,则在弯曲截面的受压区出现塑性工作区前,受拉区边缘应力就已达到木材弯曲抗拉强度,木梁受拉面木纤维被拉断而导致木梁破坏。此种破坏类型属弯曲受拉破坏,但破坏前截面仍处于弹性阶段。(2)破坏类型Ⅱ当木材弯曲截面的受压区边缘应变达到极限应变,而尚未达到木材受压极限应变的3.3倍时,受拉区边缘应变就已经达到木材抗弯极限拉应变,受拉面木纤维被拉断,木梁失去承载能力而破坏。此种破坏类型也属木材弯曲受拉破坏。(3)破坏类型Ⅲ当木材弯曲截面的受压区边缘应变达到木材受压极限应变的3.3倍以上时,受拉区边缘应变还未达到木材抗弯极限拉应变,木梁受压面木纤维受压失稳而导致木梁失去承载能力。此种破坏类型属木材弯曲受压破坏。考虑到GFRP极限应变是木材极限应变的二倍以上,不会出现GFRP先被拉断的破坏,试验中观察到的GFRP被拉断现象应属于破坏类型Ⅱ,在梁底木纤维开裂瞬间,梁底GFRP受到冲击荷载、应力集中以及剪应力的共同作用而破坏。5.3梁、gfrp弹性模量(1)受压区边缘应变达到弹性受压屈服极限应变时,受拉区边缘应变也达到抗弯极限拉应变。弯曲截面界限状态时截面上应力应变分布情况见图3(a)。由截面上水平方向内力之和为零,可得:式中:σcs=Eεcs,σts=Eεts,hthc=εtsεcs,FF=ntEFεts。解得:式中:n为梁底粘贴GFRP布层数;t为GFRP厚度;E,Ef分别为木梁和GFRP的弹性模量。(2)受压区边缘应变达到塑性受压极限应变时,受拉区边缘应变也达到抗弯极限拉应变。弯曲截面界限状态时截面上应力应变分布情况见图3(b)。由截面上水平方向内力之和为零,可得:式中:σcs=Eεcs,σts=Eεts,hthc=εts3.3εcs,hcehcp=12.3。解得:5.4阿迪洛姆抗弯疲劳法的计算5.4.1基于剖面分析的gfrp加固木梁的正截面荷载(1)它所含之引起的变形当σts/σcs<α时会发生此类型的破坏。依据基本假定,此破坏类型木梁截面上应力、应变的分布见图4(a)。由截面上水平方向内力之和为零,可得:式中:σc=Eεc=hcEεts/ht,σts=Eεts,ht/hc=εts/εc。解得:由截面内、外力对GFRP布受力点的力矩之和等于零,可得:(2)截面水平方向内力当α<σts/σcs<β时会发生此种类型破坏,依据基本假定,此破坏类型截面上应力、应变见图4(b)。由截面水平方向内力之和为零,可得:式中:σcs=Eεcs,σts=Eεts,ht/hc=εts/εc,hce=εcshc/εc=εscht/εst,hcp=(εc-εsc)hc/εc=(εsthc-εscht)/εst。解得:由截面内、外力对GFRP布受力点的力矩之和等于零,可得:(3)截面方向内力当σtsσcs>β时会发生此种类型破坏。依据基本假定,此破坏类型截面上应力、应变见图4(c)。由截面上水平方向内力之和为零,可得:式中:σcs=Eεcs,σt=Eεt,ht/hc=εt/εcs,hce=hc/3.3,hcp=2.3hc/3.3。解得:由截面内、外力对GFRP布受力点的力矩之和等于零,可得:上述公式取n=0,即为未加固木梁的承载力计算公式。5.4.2极限荷载对比在具体确定构件材料强度相对于试件强度的折减时,考虑构件天然缺陷、干燥缺陷和尺寸大小等主要因素。对比梁、单层GFRP加固梁、两层GFRP加固梁的极限荷载计算值分别为20.86,25.07,26.21kN,与试验值的误差分别为8.51%,0.05%,-5.50%。可以看出计算值与试验值吻合较好,文中提出的木梁和GFRP加固木梁的极限抗弯承载力计算公式可用于实际。6纤维布、加固木梁的改性对其承载力、延性及破坏类型的一般设计(1)通过在木梁受拉面粘贴GFRP,可以显著提高木梁的抗弯极限承载能力。试验中,单层GFRP加固木梁的抗弯极限承载能力提高了31%,两层GFRP加固的效果大于单层的,承载力提高45%。(2)粘贴玻璃纤维布能提高木梁的刚度,效果比较明显,同时木梁的延性也有很大提高。(3)GFRP加