纤维增强复合材料加固木梁的性能研究

纤维增强复合材料加固木梁的性能研究

国内外对木梁加固的研究主要集中在两个方面。其中之一是如何改进木梁加固材料和加固方法，以便工程应用和更好的性能[1.3]。另一方面，它如何加固木梁的性能，接近木梁的实际性能。本文主要集中于对前者的探讨。加固材料的研究主要经历了金属板材、预应力金属板材、预应力钢索和各种复合材料片材[5~7];加固方式主要分为将加固材料粘贴于木梁或glulam梁的受拉区底部、受拉区侧部和受拉区内部3种。采用复合材料加固木梁具有便于施工、节约劳动力、可有效防止木材腐蚀破坏等特点,本文取FRP作为加固材料。目前运用FRP加固木梁的研究存在以下不足:(1)现有的加固方式主要将加固材料设置于木梁或glulam梁的受拉区,很少有分析在受压区设置加固材料对木梁承载力的影响;(2)很少同时反映加固材料的数量、类型对加固木梁抗弯性能的影响。据此,本文主要进行以下几个方面的研究:(1)将CFRP和GFRP两种材料分别设置于木梁受拉区,分析受拉区加固材料数量和类型对加固木梁的抗弯性能的影响;(2)在木梁的受拉区和受压区同时设置加固材料,分析受压区加固材料对木梁承载力的影响;(3)在木梁的纯弯区横向缠绕FRP材料,分析横向约束作用对木梁承载力的影响。1试验总结1.1试验方法及过程木柱选用材料采用樟子松,选用同一批次的木材,购买后继续储藏在实验室半年,再进行加工。纤维布采用由南京玻璃纤维研究院提供的CFW200、EGFW43和EWR200-100,树脂采用该院提供的建筑结构智能胶LICA100。由于主要采用手工操作,根据加工时的天气和现场操作方便的需求,将纤维的体积含量严格控制为Vf=0.3。在试验加固木梁的性能之前,在以相同存放环境中的原木梁中切取20个标准小试件,分别用以测量木材的含水率、弹性模量、抗压强度和抗拉强度。每个性能参数取5个小试件进行测定,试验方法按照GB/T1927-1991《木材物理力学试验方法》执行。采用和加固木梁同时制作的小试件分别测定FRP加固材料的抗拉强度、抗压强度和弹性模量,所有加固材料小试件的制作及试验方法均按照GB/T1446-2005《纤维增强塑料性能试验方法总则》、GB/T1447-2005《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》和《纤维增强塑料压缩性能试验方法》执行[11~13]。所有试验均在南京工业大学重点结构试验室的万能材料试验机上完成,各性能试验值见表1所示。1.2frp加固木梁的设计根据GB/T50329-2002《木结构试验方法标准》的规定,本文试件采用矩形截面简支梁,梁的跨高比为18:1,木梁的尺寸设计为长1900mm,宽50mm,高100mm。为研究受拉区加固层的类型、受拉区加固层的层数、受压区加固层的位置、受压区与受拉区加固层的数量比和纯弯区横向缠绕加固层的层数5种参数对加固效果的影响,本文共设计了12组FRP加固木梁,每组3根。加固层的宽度与木梁的宽度相同,长度为梁的跨度每端向里缩进50mm,设置于侧部的加固材料的高度为梁高度的1/3,具体加固方式和参数设计见表2和图1~图4所示。为了防止FRP发生剥离破坏,所有木梁在弯剪区均采用U形箍对受拉区加固层进行锚固。1.3变形装置及测点位置如图5所示,采用三分点加载,支座到加载点以及加载点之间的距离均为600mm。在支座、加载点下方以及跨中共设置5个位移计,应变片的位置及手持式应变仪的测点位置见图5所示。试件挠度采用在支座及跨中位置设置位移计的方法进行测定,位移计的测点位置以及加载装置分别见图5和图6所示。应变片、位移计和传感器测得的数据均由DH3818静态应变仪采集。2加固层对木梁承载力的影响从破坏形态上来看,在未加固木梁中,构件强度一般由受拉区木材的强度控制,破坏时受压区木材未达到其极限强度;在FRP加固木梁中,虽然在木梁缺陷等薄弱部位出现了损伤和开裂,但由于增强材料的存在使得此处的部分拉力迅速转移到邻近胶层及FRP中,木梁将继续承载,受压区破坏表现为木纤维褶皱,这说明受压区木材得到了较为充分的利用。图7为木梁荷载与挠度关系曲线图,表3给出了所有加固木梁受弯极限荷载的试验值。试验结果表明,木梁采用FRP加固后的承载力和变性能力均得到提高,提高的幅度与加固层的层数、加固层的类型以及加固方式有关。由试件W-1、W-2、W-3、W-4的试验结果比较可得,加固木梁的受弯承载力随受拉区加固层层数的增加而增加,其中受拉区粘贴1层CFRP使木梁承载力提高达30.61%,粘贴2层CFRP使木梁承载力提高达57.78%,粘贴3层CFRP可使木梁承载力提高达77.27%。由试件W-2和W-5的试验结果比较、W-3和W-6的试验结果比较可得,采用CFRP加固木梁承载力的提高幅度大于采用GFRP的,其中受拉区粘贴1层GFRP使木梁承载力提高达17.69%,受拉区粘贴2层GFRP使木梁承载力提高达33.26%。以上试验结果比较表明,加固木梁的受弯承载力随受拉区加固层层数的增加而增加,在加固层层数相同的情况下,采用CFRP加固的效果优于采用GFRP的。试件W-3、W-7、W-9和试件W-4、W-8、W-102组的试验结果表明,在试件的受压区设置加固层后试件的抗弯承载力得到提高,其中受拉区设置2层CFRP、受压区顶部粘贴1层CFRP的试件承载力提高59.96%,受拉区设置3层CFRP、受压区顶部粘贴1层CFRP的试件承载力提高78.97%;受拉区设置2层CFRP、受压区侧部粘贴1层CFRP的试件承载力提高62.51%,受拉区设置3层CFRP、受压区侧部粘贴1层CFRP的试件承载力提高79.55%。由试件W-7、W-9和试件W-8、W-10的试验结果表明,加固层设置于受压区侧部较设置于受压区顶部效果好。以上结果比较表明,在木梁受压区设置加固层可提高木梁的承载力,但提高的幅度不大,提高的幅度与受压区加固层的粘贴位置有关,加固层粘贴于受压区侧部的效果优于粘贴于受压区顶部的。通过比较试件W-4、W-11、W-12的试验数据得到,木梁受拉区加固层层数相同时,在木梁纯弯区横向缠绕加固层可提高木梁的抗弯承载力,效果明显优于其他几种情况,且抗弯承载力随横向加固层的数量增长而增大,其中纯弯区横向缠绕1层GFRP2可提高加固木梁承载力5.15%,纯弯区横向缠绕1层GFRP2可提高加固木梁承载力9.05%。分析原因,对木梁进行横向缠绕加固后,木梁受压区的纵向刚度、屈服应力、极限应力均被提高,且随着横向缠绕的加固层层数的增加而增大,这些基本性能的提高是加固木梁承载力得到提高的主要原因。根据以上分析,在木梁纯弯区横向缠绕FRP是增强木梁受压区一种形式,可有效提高木梁的抗弯承载力,提高的幅度随横向加固层层数的增加而增加。3cfrp加固层对梁的抗弯承载力的影响本文主要进行了FRP加固木梁的试验研究;根据使用材料的特性和试验现象,详细分析了加固木梁的受力机理;分析了各设计参数对试件工作性能的影响;可得到如下结论:(1)采用FRP对受弯木梁进行加固是有效的,加固的效果与加固的层数、加固层的类型以及加固方式有关。(2)在木梁受拉区设置加固层可有效提高木梁的抗弯承载力,CFRP加固层的加固效果优于GFRP的,其中受拉区粘贴1层CFRP,木梁承载力提高30.61%,受拉区粘贴1层GFRP,木梁承载力提高17.69%。(3)木梁受压区设置加固层可有效提高木梁的抗弯承载力,在纯弯区横向设置FRP加固层可增强木梁受压区的性能,有效提高木梁的抗弯承载力,提高的幅度与加固层层数有关,其中横向缠绕2层GFRP2,木梁承载力提高9.05%。(4)加固层设置于木梁受压区侧部的效果优于设置于木梁受压区顶部,其中受拉区粘贴2层CFRP,受压区侧部粘贴1层CFRP可使木梁承载力提高62.51