CFRP布加固圆形木梁抗弯性能的试验

欧阳煜， 李 游

(上海大学土木工程系，上海200072)

CFRP布加固圆形木梁抗弯性能的试验

欧阳煜， 李 游

(上海大学土木工程系，上海200072)

对在实际工程中已经受损的木梁加固后的结构性能进行研究．通过对8根圆形木梁进行静力试验，研究碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)布加固受损木梁的抗弯性能，包括破坏特性、极限荷载、刚度、截面应变等结构性能．试验结果表明，CFRP布加固受损木梁具有良好的效果，能够有效提高木梁的承载力和刚度．研究结论对碳纤维工程加固的应用具有一定的参考价值．

碳纤维增强复合材料布;加固;圆形木梁;抗弯性能;破损

Abstract:In practice，most wood beams to be repaired have already been damaged or degraded．It is necessary to study the structural performances of damaged wood beams reinforced by carbon fiber reinforced polymer(CFRP)sheets．Based on static tests of 8 damaged circular timber beams strengthened with CFRP sheets，bending behaviors are studied，including failure characteristics，ultimate bearing capacity，rigidity，and strain of timber section．The results show that CFRP sheets have a good strengthening effect for timber beams．The loading capacity of a timber beam reinforced by CFRP is effectively enhanced．The results are useful to practical design．

Key words:carbon fiber reinforced polymer(CFRP)sheet;strengthen;circular timber beam;bending behavior;damage

木结构是中国传统建筑的主要结构形式，木结构中的梁、枋、檩是整个木构架中的主要构件，从力学角度分析，这些构件都属于受弯构件．由于木材自身的材性缺陷(木结、裂纹等)和周围环境的影响(雨水、虫害等)，加之年久失修，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［1］，因此，急需对这些古建筑进行维修加固．传统的维修加固方法往往会破坏古建筑原貌或带来锈蚀等问题，而纤维增强塑料(fiber reinforced plastic，FRP)中的碳纤维增强复合材料(CFRP)布因其几何可塑性强、易剪裁成形、强度高、重量轻和易于施工等优点，已成为一种适用于古建筑木结构维修的加固材料．

从20世纪90年代起，国内外一些学者开始研究用FRP加固的木构件的力学性能．Triantafillou［2］对粘贴U形FRP布箍的木梁进行了短期抗弯性能试验研究．Plevris等［3-4］对CFRP增强木梁的恒温恒湿恒载进行了试验研究．Johns等［5］进行了木梁腐朽端部替换的试验研究，通过更换木梁腐朽端部，在新更换木块的受拉和受压边缘钻孔预埋钢筋．Micelli等［6］进行了3根胶合木梁内嵌CFRP筋进行跨中连接的试验研究．在国内，马建勋等［7］对粘贴不同数量CFRP布的4根木梁进行了抗弯性能试验研究．祝金标等［8］对用CFRP布加固后破损木梁的破坏特征以及对梁的极限承载力、刚度等的影响进行了研究与分析．许清风等［9］进行了用10根内嵌CFRP筋维修加固旧木梁的试验研究．王全凤等［10］进行了用玻璃纤维(glass FRP，GFRP)布加固木梁抗弯性能的研究．

对木结构梁加固的研究一般都是关于矩形截面木梁的，对于圆形截面木梁的研究报道甚少．而古代木结构建筑中圆形截面梁是非常常见的，其加固后的效果以及加固后的力学性能是否有很大的改变;其加固的方式相比于矩形截面有何不同，这些都需要进行深入研究．本试验通过人为模拟破损木梁而后再用CFRP布加固的方式，来研究CFRP布对受损圆形木梁的加固效果，并对CFRP布加固后圆形木梁的抗弯性能进行了研究和分析．

1 试验

1．1 试件的设计与制作

本试验共设计了8根圆形木梁，其中2根为对比梁，6根为加固梁．试件共分为两组，一组用于研究有模拟裂缝的梁的加固效果，裂缝长300 mm，距梁顶部25 mm，裂缝均用封口胶封堵;另一组用于研究有模拟破损的梁的加固效果，通过先在木梁受拉侧挖去一定截面高度的木材，然后用强力粘结剂在缺口中填补上相同材质木块，以模拟木梁的截面抗弯性能受损情况．试验梁的具体加固方案如表1所示，试件尺寸及特征如图1所示(图中数据单位为mm)．

1．2 试验材料

试验所用材料为俄罗斯樟子松，按《木材物理力学性能试验方法》实测的木材主要性能指标及加固材料性能指标如表2所示．

1．3 加载方案及测点布置

试验在WDW-100A型微机液压万能试验机上进行，采用DH3815-2静态应变测量系统进行数据采集．试验采用连续均匀加载方式，加载速度为1．0 mm/min．在梁跨中两侧及上下底面布置电阻应变片，在支座及跨中布置百分表，试验测量内容为梁跨中位移、支座沉降、跨中截面木纤维的应变，以及观察和记录木梁的破坏情况．试验加载装置及测点布置如图2所示．

表1 试验加固方案Table 1 Strengthening scheme of test beams

表2 CFRP布、粘结胶和木材力学性能表Table 2 Mechanics performance of CFRP sheet，glue and wood

2 试验结果及分析

2．1 主要试验结果

试件A在加载时，底部纯弯段最先出现撕裂，裂缝位置从木结处开始沿纵向发展;随后纯弯段与弯剪段交界处出现裂缝，也是从木结处开始并迅速沿纵向发展，最后试件呈锯齿状撕裂破坏(见图3(a))．理论上，不加固的未破损木梁的破坏应是木梁的受压区被压皱褶，当具有一定塑性变形后，木梁发生受拉破坏．但由于木梁的受拉区存在木节点、纹理不直等材性缺陷，木梁受拉边缘木节点处的木纤维很容易被拉断．事实上，木梁在塑性变形很小甚至没有产生塑性变形时就会发生脆性受拉破坏．

图1 试件尺寸及特征(mm)Fig．1 Size and characteristics of specimens(mm)

图2 试验装置(mm)Fig．2 Test setup(mm)

在加载过程中裂缝对梁的受压承载力产生影响，木梁的结构性能受到削弱．试件B1的破坏是以纯弯段受拉侧木材劈裂破坏开始的，然后向弯剪段处发展，最后弯剪段处受拉一侧的木材部分剥离，试件被破坏(见图3(b))．

试件B2由于粘贴了一层CFRP布，在一定程度上减小了裂缝和节点等材性缺陷对木梁承载力的影响，使得木梁的承载力得到恢复和提高．表3为主要试验结果，由表可以看出，试件B2的承载力比试件B1提高了48%．试件B2的破坏主要有两个方面:一个是以梁受压侧出现皱褶开始，最后出现两道皱褶，皱褶出现在模拟裂缝上部，在中间的一个木节处出现交叉;另一个是随着荷载的增大，受压侧加载点处出现凹陷，并伴随有“哔哔”声，最后底部纯弯段部分木材与其他部分剥离并沿纵向发展，CFRP布被拉断．

表3 主要试验结果Table 3 Main experimental results

图3 试件的典型破坏Fig．3 Failure mode of specimens

试件B3有两道裂缝位于两侧，且裂缝贯通．加载后试件中部首先出现皱褶，皱褶的位置主要在模拟裂缝中部靠上部位，随后试件受拉侧CFRP布被拉断(见图3(c))，拉断的CFRP布呈条状．该试件在加载过程中产生了很大变形，当变形到一定程度时，突然发生破坏，试件受拉侧木材迅速剥裂．由表3可见，试件B3的极限承载力比试件B2提高了7．33%，说明粘贴CFRP布层数越多，加固效果越好．

对粘贴一层CFRP布的试件C1，尽管CFRP布在一定程度上约束了损伤界面，并降低了木节点等材性缺陷对木梁承载力和刚度的影响，使得木梁的承载力和刚度得到恢复和提高，但木梁在垫补木尖点处的应力集中比较明显，试件很容易发生纵向剪裂．剪裂缝的出现使得木梁的刚度降低，试件变形加快，最终梁的承载力也受到影响．试件C1破坏是由缺口补木处出现应力集中，CFRP布被木块剪断导致的(见图3(d))．

试件C2顶部两侧分别有一条纵向裂缝，加载后，试件的跨中受压区域出现第一条受压皱褶裂缝，随后又出现几条皱褶裂缝，裂缝分布均匀．随着荷载的增大，试件的变形明显加快，裂缝逐渐向下延伸．木材由于受压侧挤压而发生剥离，随后试件中部沿破损部位出现纵向裂缝(见图3(e))．

由于试件C1，C2过早被破坏，因此在试件C3，C4的纯弯段加了CFRP布环箍，以保证CFRP与木梁协同工作，使CFRP布充分发挥作用．试件C3以模拟破损段CFRP布包裹外侧发生横向断裂而破坏，破坏处环向CFRP布沿其纵向撕裂．加载时，模拟破损的一端较另一端有更明显的变形，试验后经切割检查，试件C3在该处存在明显木节．

试件C4为粘贴2层CFRP布且环向包裹的损伤加固木梁，CFRP布有力地约束了损伤界面，使得木梁的垫补木界面的应力集中不明显，在应力集中处不易发生纵向剪裂．同时还大大降低了木节点等材性缺陷对木梁强度的影响，木梁的承载力和刚度得到了显著的恢复和提高．加载后，试件C4的跨中受压区出现受压皱褶裂缝，随后2个荷载集中点处也出现受压皱褶裂缝，试件的变形明显加快．随着荷载的增大，各处皱褶裂缝逐渐向下延伸，此时各测点处应变增长加快;进一步加载时，仪器显示的荷载值有下降趋势，而跨中挠度继续急剧增大，为了保护试验仪器，试验开始卸载(见图3(f))．

本研究的两组试验分别针对梁受压侧和受拉侧的受损情况来进行．根据试验结果，对于梁受压侧破损，双层布和单层布的加固效果差异不大，但对于梁受拉侧破损，则加固效果有很大差异．这是因为在受拉侧粘贴CFRP布加固后，CFRP布直接参与木梁的受拉，而与木梁的受压侧则没有直接的关联，所以CFRP布对于梁受拉侧破损的加固效果要好于受压侧．

2．2 平截面假定的验证

图4为各梁在跨中截面沿梁高度方向的应变分布．可以看出，加固梁和未加固梁的应变沿高度方向的分布基本符合平截面假定．如图4(b)所示，当荷载达到40 kN时，受拉区中部木材剥离，应变偏小;如图4(c)所示，缺口填补木上的应变偏离平截面，且有所偏小，这说明试件在此部位的截面性能受损，试验达到了模拟梁受损的目的．因此，在考虑计算模型时可以近似采用平截面假定进行分析．

图4 跨中截面上的应变分布Fig．4 Strain distribution at midspan section

图5 荷载-应变关系Fig．5 Load-strain relationship

2．3 荷载-应变分析

图5为试件跨中截面各测点的应变随荷载的变化．由图5(a)可见，测点1处的最大压应变和测点5处的最大拉应变都比木材的顺纹拉压极限应变要小，说明木材的抗拉和抗压性能都没有得到充分的发挥;由图5(b)可见，曲线前半段为弹性阶段，后半段进入塑性阶段，梁的承载力和变形性能都得到了提高，这是因为纵向粘贴的CFRP布使其受压性能得到了充分应用．从图5(c)和图5(d)中可以看出，试件C4的拉应变和压应变相比于试件C3都有了大幅度的提高，说明粘贴2层CFRP布比粘贴1层CFRP布的加固效果更好．试件C4的形态已经非常接近于完整试件A了．

3 结论

通过对8根加固模拟受损木梁进行受弯试验研究，得出以下几点结论．

(1)加固梁和未加固梁的应变沿高度方向的分布基本符合平截面假定，因此在计算和分析时，可以把平截面假定作为一个基本假定．个别试件缺口填补木上的应变偏离平截面，且有所偏小，在考虑计算模型时也可以近似采用平截面假定进行分析．

(2)CFRP布避免或延缓了木梁的受拉脆性破坏，降低了木材缺陷对木梁受弯性能的影响，充分利用了木材的抗压强度，其破坏模式由脆性受拉破坏转变为受压破坏．纯弯段的CFRP布环箍能保证CFRP与木梁协同工作，使CFRP布充分发挥作用．

(3)受损木梁加固后，其截面承载力、刚度等都有不同程度的提高，说明使用CFRP布修复和加固受损木梁的方法是有效的．对于有模拟裂缝的加固梁，粘贴1层CFRP布的极限承载力提高了48%，粘贴2层CFRP布的极限承载力提高了58．86%，且随着贴布量的增多，承载力提高得越多．

(4)由于试验条件的限制，很多方面的内容还有待于通过更多的试验研究进行验证，比如受弯区CFRP布环箍对木梁抗弯性能的影响，以及CFRP布修复加固局部破损木梁的长期性能等．

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［4］ PLEVRIS N，TRIANTAFILLOU T C．Creep-behavior of FRP-reinforced wood members-closure［J］．Journal of Structural Engineering，1996，122(8):981-987．

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［8］ 祝金标，王柏生．碳纤维布加固破损木梁的试验研究［J］．工业建筑，2005，35(10):86-89．

［9］ 许清风，朱雷．内嵌CFRP筋维修加固老化损伤旧木梁的试验研究［J］．土木工程学报，2009，42(3):23-28．

［10］ 王全凤，李飞．GFRP加固木梁抗弯性能的试验研究与理论分析［J］．建筑结构，2010，40(5):50-53．

Experimental of Bending Behavior of Circular Timber Beams Strengthened with CFRP Sheets

OUYANG Yu，LI You
(Department of Civil Engineering，Shanghai University，Shanghai 200072，China)

TU 366

A

1007-2861(2012)05-0545-06

10．3969/j．issn．1007-2861．2012．05．019

2011-04-19

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2009AA023203)

欧阳煜(1968～)，男，副教授，博士，研究方向为工程结构加固．E-mail:oyy_wly@sina．com