内嵌CFRP筋与木材的粘结锚固性能试验研究

张富文 许清风，* 李向民 陈建飞 贡春成

（1.上海市工程结构新技术重点实验室，上海200032；2.上海市建筑科学研究院（集团）有限公司，上海200032；3.贝尔法斯特女王大学，英国贝尔法斯BT7 1NN）

内嵌CFRP筋与木材的粘结锚固性能试验研究

张富文1，2许清风1，2，*李向民1，2陈建飞3贡春成1，2

（1.上海市工程结构新技术重点实验室，上海200032；2.上海市建筑科学研究院（集团）有限公司，上海200032；3.贝尔法斯特女王大学，英国贝尔法斯BT7 1NN）

为研究内嵌CFRP筋与木材的粘结性能，本文共制作了8个试件，试验参数包括木材种类（旧花旗松和新花旗松）和粘结长度（80 mm、120 mm和160 mm）。试验获取了木材与CFRP筋粘结破坏的两种典型模式：CFRP筋与胶层粘结失效破坏、沿粘结面的周边木材失效破坏。胶层与CFRP筋的粘结滑移过程可分为微滑移段、滑移段、下降段和残余段。在试验基础上对改进BPE模型粘结滑移曲线进行了拟合，拟合曲线与试验曲线吻合较好，说明改进的BPE模型能较好地描述木槽中胶层与CFRP筋的局部粘结滑移曲线，具体的参数取值还需后续试验进行补充深化研究。

木材，粘结锚固性能，CFRP筋，内嵌，滑移，粘结长度

1 引 言

木结构和砖木结构是我国历史建筑的主要结构形式，至今仍有相当数目存世，且大多已使用数百年之久。自然力的破坏、老化损伤以及木材自身的缺陷，导致大量既有木构件亟需加固。与钢筋、钢板等相比，纤维增强复合材料（FRP）具有轻质、高强、耐腐蚀、施工方便快捷等优点，已被越来越多地用于加固工程中。21世纪初，国内外学者陆续开展了一系列内嵌GFRP筋和CFRP筋加固木梁的试验研究［1-5］。

内嵌FRP筋加固木梁是指在木梁受拉边缘开槽预埋FRP筋并用结构胶填充槽中空隙的一种加固方式。FRP筋与木材的粘结性能是该加固方式的关键问题，但目前研究还相对较少，且木材主要为胶合木。Madhoushi等［6］通过对GFRP筋与胶合木连接节点的静力及疲劳试验，得到了静载及疲劳荷载下GFRP筋与胶合木的粘结强度及破坏模式。De Lorenzis等［7］设计了14组FRP筋与胶合木（欧洲云杉）的拔出试验，并根据试验结果对影响粘结性能的主要参数如粘结长度、FRP筋表面形式以及木纤维方向等进行了讨论。朱世骏等［8］通过对9个GFRP植筋胶合木试件的粘结性能试验，对植筋试件的破坏形态、破坏机理及粘结锚固性能进行了初步研究。

迄今为止，FRP筋与木材尤其是实木木材的粘结性能研究严重不足，不利于内嵌FRP筋在传统木结构加固修缮中的推广应用。有鉴于此，本文针对侧面开槽后内嵌FRP筋的木构件加固形式，开展了在内嵌CFRP筋与木材粘结性能的试验研究，同时考虑了新、旧木材以及粘结长度的影响，可望为进一步的理论与数值分析及工程实践提供参考。

2 试验概况

2.1 试件设计

为了研究内嵌CFRP筋与木材的粘结滑移关系，并重点考察新、旧木材和CFRP筋不同埋入长度对粘结性能的影响，本次试验制作了8个拔出试件。试件编号分别为N1-N6，其中，N1包括3个相同试件，编号分别为N1-1、N1-2和N1-3，N2～N6均为1个试件。N1-N3用于研究旧木材与CFRP筋的粘结性能，其粘结长度分别为80 mm、120 mm和160 mm；N4-N6用于研究新木材与CFRP筋的粘结性能，其粘结长度分别为80 mm、120 mm和160 mm。

试件基本形式及尺寸见图1，其中L表示CFRP筋与木材的粘结长度。试件中部为木块，其截面尺寸为100 mm（100 mm；木块下部贴近外边缘处开槽，木槽截面为15 mm（15 mm，CFRP筋放置其中并用结构胶灌缝，CFRP筋直径均为8 mm；木块上部通过3个螺丝与钢板相连，并保证钢板与CFRP筋在同一垂直平面内。

2.2 试件制作

按试件设计要求，首先将截取好的新、旧花旗松木块开槽，并刨除木块上部的部分厚度以保证钢板与CFRP筋的轴心受拉；然后在CFRP筋表面粘贴应变片；待应变片粘贴牢固后，将CFRP筋放入木槽内，并用结构胶灌缝；最后将钢板打孔，并用螺丝将钢板与木块连接。结构胶固化一周后，开始进行拉拔试验。

图1 试件尺寸及特征图（单位：mm）Fig.1 Geometry of test specimen（Unit：mm）

2.3 试验材料

本次试验选用上海地区木结构和砖木结构中广泛使用的花旗松（Douglas Fir）。其中，旧花旗松取自上海某风貌建筑改造项目，使用已近90年，材性试验测得其静曲强度为75.3 MPa，弹性模量为8 560 MPa，密度为456 kg／m3，含水率为13.1%。新花旗松为新近购买，实测静曲强度为59.2 MPa，弹性模量为6 620 MPa，密度为430 kg／m3，含水率为15.2%。

本次试验选用CFRP筋的公称直径为8.0 mm，生产商提供的抗拉强度和弹性模量分别为1 800 MPa和145 GPa。本次试验用建筑结构粘结胶的钢-钢抗拉强度大于33 MPa，钢-钢抗剪强度大于18 MPa。

2.4 试件加载与测量

本次试验采用微机液压万能试验机对试件中的钢板和CFRP筋进行对拉，拉拔试验以1.0 mm／min的速度加载，直至试件发生破坏。为避免加载过程中CFRP筋被压碎或与夹具产生明显滑移，试验前将CFRP筋外套2 mm厚铝管，并将其放入专门加工的CFRP筋夹片式锚具中进行加载。

试验所需测量的内容主要包括CFRP筋和木材之间的相对滑移和实时荷载等。CFRP筋的滑移包括远端滑移和加载端滑移，对于本次试验而言，加载端滑移较易获取，因此位移计放置于CFRP筋的加载端并尽量靠近木块下边缘。荷载通过万能试验机直接采集。同时，为了获得粘结区内不同位置处CFRP筋的应变分布情况，本次试验在粘结区内CFRP筋四分点的位置粘贴了3个应变片，并在未粘结区粘贴了1个应变片。位移计和应变片读数采用DH3817动态应变测量系统进行数据采集。试件位移计和应变片布置如图2所示。

图2 位移计和应变片布置图Fig.2 Layout of LVDT and strain gauges

3 试验结果与分析

3.1 试验现象描述

除试件N3外，其余7个试件均发生CFRP筋与胶层的粘结失效破坏。在加载至峰值荷载前，滑移量都很小，到达峰值荷载时，N2，N5和N6发出明显的结构胶破裂的声响，其余4个试件则未发出明显声响；峰值荷载后CFRP筋与木块的滑移速度显著增大，荷载则逐渐减小，CFRP筋逐渐从木块中拔出，其表面不带胶层，木块与胶层仍为整体。

与前述试件不同，试件N3发生了沿粘结面附近木材的失效破坏。N3在加载前期，CFRP筋与木块的滑移量很小，到达峰值荷载时，木块发出明显的撕裂声，CFRP筋、胶体并连同周边部分木纤维一起从木块中整体拔出，发生沿粘结面附近木材的失效破坏。

典型试件的破坏形态如图3所示。

3.2 主要试验结果

各试件的主要试验结果如表1所示。

试验结果表明，CFRP筋与木材的粘结应力在CFRP筋埋置长度内并不均匀分布，因此需要采用平均粘结应力对各试件进行比较分析。平均粘结应力算式如式（1）所示：

图3 典型试件破坏模式Fig.3 Failuremode of specimens

表1 主要试验结果Table 1 M ain test results

式中，P为荷载值；d为CFRP筋直径；l为埋置长度。

3.3 粘结滑移曲线

CFRP筋与木材的粘结性能可用平均粘结应力和两者的相对滑移量来描述，本文采用加载端滑移作为度量依据。试验获取的各试件粘结滑移曲线如图4所示。

从图4可见，除未采集到下降段的N3外，各试件的粘结滑移曲线都由微滑移段、滑移段、下降段和残余段组成。

微滑移段：粘结滑移曲线基本呈直线，斜率较大。该阶段滑移很小，粘结应力快速上升，CFRP筋与胶层处于完全粘结状态。此时CFRP筋与胶层之间的粘结力主要为化学胶着力。

滑移段：粘结滑移曲线不再保持直线状态，曲线斜率不断下降。滑移量较前一阶段明显增加，

图4 试件粘结滑移曲线Fig.4 Bond-slip curves of specimens

粘结应力继续上升至峰值。此阶段CFRP筋与胶层的化学粘结力由加载端沿界面向远端逐渐受到破坏，增加的粘结应力主要为摩擦力和机械咬合力。

下降段：粘结应力达到峰值后，机械咬合力急剧减少，滑移量快速增大，CFRP筋从胶层中缓慢拔出。此阶段的粘结力主要为摩擦力和机械咬合力，其中摩擦力所占比重逐渐增大。

残余段：当粘结应力下降至一定程度后，粘结滑移曲线进入残余应力段。粘结应力下降幅度越来越缓，滑移量持续增大，直至CFRP筋完全拔出。该阶段的机械咬合力已被破坏，粘结力主要由摩擦力提供。

需要指出的是，对于试件N1，N2和N6，残余段均出现了一定程度的波动。这种现象在以往FRP筋与混凝土粘结性能试验研究中已得到证实［9-10］，主要是由于FRP筋表面变形与主材的挤压，使得粘结应力出现波动。在FRP筋与混凝土的粘结性能试验中，这种波动呈现周期性，周期约等于FRP筋表面变形的间距；而本次试验采用的CFRP筋亦为带肋筋，但该波动并无明显周期性特征，表明了混凝土与木材两种材料的差异对于粘结特性有一定影响。

3.4 CFRP筋应变发展及分布规律

与钢筋不同，CFRP筋难以采用内贴应变片的方法测试粘结应力沿埋长的影响，现有文献关于CFRP筋粘结性能试验绝大多数都未考虑粘结应力沿埋长的分布。本文采用外贴应变片法在CFRP筋内嵌长度内布置了3个应变片（过多的应变片将导致粘结性能的退化），尝试对CFRP筋在粘结区域内的应变发展及分布规律进行研究。

图5 典型试件CFRP筋应变分布Fig.5 Strain distribution of typical specimens

典型试件CFRP筋应变分布规律如图5所示。从图5可知，加载初期，CFRP筋加载端附近应变较大、远离加载端区域应变较小，并且加载端区域应变增长较快、而远端应变增长相对缓慢；应变曲线呈向下凸的趋势。随着荷载逐渐增大，加载端区域应变增长逐渐趋缓，而远端应变大幅度增加。到达峰值时，大部分试件CFRP筋的应变曲线呈向上凸的趋势。

3.5 粘结应力发展及分布规律

相邻两应变片之间CFRP与胶层基层的平均粘结剪应力可由式（2）计算得到：

式中，τ为局部粘结应力；d和ECFRP分别为CFRP筋的直径和弹性模量；d x和dεCFRP分别为CFRP筋在相邻两应变片间的距离和应变增量。

典型试件各级荷载下CFRP筋与胶层的平均粘结应力变化规律如图6所示。

图6 典型试件粘结应力分布曲线Fig.6 Bond stress distribution of typical specimens

由图6可知，在加载初期，粘结应力的峰值出现在靠近加载端附近，而随着荷载的不断增加，粘结应力峰值则不断向远端移动。在CFRP筋整个拔出过程中，局部粘结应力分布呈现出明显的非线性特征。

3.6 局部粘结滑移曲线

第3.3节利用平均粘结应力与试件加载端滑移绘制的粘结滑移曲线能够反映试件的受力全过程，并且从宏观上描述粘结滑移刚度退化的现象，但其构建的本构模型用于有限元分析过于粗糙，因此有必要绘制粘结界面的局部粘结应力和局部滑移的关系曲线。CFRP筋局部粘结应力τ可由式（2）计算得到，局部滑移s可由式（3）求得：式中，sl为加载端滑移量（试验已测得）；x为距离加载端木材界面处的长度；εCFRP和εW分别为CFRP筋和木材的应变。

忽略木材应变，理论上讲，根据已有测量数据可得到某一位置处试件局部粘结应力和局部滑移关系曲线，但实际上，大部分位置粘结应力发展并不充分，再加上一侧粘贴应变片误差累计等因素，局部粘结滑移曲线较难获取。以本次试验提取的两条完整局部粘结滑移曲线为例，它们分别位于N2试件距离加载端60～90 mm和N6试件距离加载端80～120 mm区段内，如图7所示。

图7 N2和N6局部粘结滑移曲线Fig.7 Local bond-slip curves of N2 and N6

对比图4和图7可知，局部粘结滑移曲线与试件总体粘结滑移曲线趋势上较为一致，但前者上升段斜率更大，这是因为在曲线的上升段，CFRP筋的局部滑移量要远小于加载端滑移量。同时，平均粘结强度要小于局部粘结强度，原因在于粘结应力沿埋置长度并非均匀分布，也不可能同时达到最大值。

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3.7 影响粘结性能的因素

本次试验参数为木材种类和粘结长度，图8和图9给出了不同粘结长度下各木材与CFRP筋的极限拔出荷载与平均粘结长度，其中相同特性的试件N1-1、N1-2和N1-3按其平均值。

图8 不同粘结长度下的极限荷载Fig.8 Ultimate loads with different bond length

图9 不同粘结长度下的平均粘结强度Fig.9 Effect of bond length on average bond strength

粘结长度：由图8、图9可知，随着粘结长度增大，试件极限承载力也随之增加，但平均粘结强度却呈现出先增大后减少的现象。理论上讲，当粘结应力在粘结长度内处于不均匀分布时，粘结长度越长，平均粘结强度应当越小，同时已有研究成果表明［9-10］，随着粘结长度增加，平均粘结强度确实不断降低。本次试验结果表明粘结长度可能存在某一界限值，当小于该界限值时平均粘结强度随粘结长度的增加而增加，反之则随粘结长度的增加而减少。上述结论的普适性及可能存在的粘结长度界限值的确定尚需更多的样本支撑。

木材种类：由图8和图9可见，在粘结长度为80 mm和120 mm时，旧花旗松的极限荷载和平均粘结强度均略大于新花旗松，其原因在于旧花旗松的静曲强度和弹性模量均大于新花旗松，而材性参数对于粘结强度的影响形式及影响程度尚需大量相关试验才能确定。此外，由于粘结长度为160 mm的旧花旗松试件发生了CFRP筋及胶层与木材的滑移失效破坏，尽管没有发生理想的粘结破坏形式而导致了极限荷载和粘结强度的降低，但同时也说明对于服役期限较长的木材，单纯的材性测试不一定能反映出木材的老化损伤等问题。

此外，CFRP筋与木材粘结性能的其他影响因素，如CFRP筋直径、CFRP筋表面形式和木槽大小等，将在后续研究中予以考虑。

4 粘结滑移本构模型

目前国内外应用较为广泛的粘结滑移本构模型有BPE模型［11］、改正的BPE模型［12］、Malvar模型［13］和CMR模型［14］等。其中改进的BPE模型是基于大量的FRP筋与混凝土粘结试验得到的，它由上升段、下降段和残余应力段组成，其本构关系模型如下：

上升段：τ／τ1＝（s／s1）α（s≤s1）

下降段：τ／τ1＝1－p（s／s1－1）（s1＜s≤s3）（4）

残余段：τ＝τ3（s＞s3）

式中，τ1，s1分别为粘结强度和对应粘结强度下的滑移；α，p和τ3为参数。

改进的BPE模型与本次试验获取的局部粘结滑移曲线形式上较为接近，且数学表达式比较简单，因此本文采用该模型进行局部粘结滑移曲线的拟合，拟合所得相关参数如表2所示，拟合曲线和试验曲线的对比如图10所示。

从图10可知，本文采用改进的BPE模型可以对试验曲线进行较好的拟合，说明改进的BPE模型同样适用于拟合木材与CFRP筋的粘结滑移曲线，表2的参数取值可为同类型的有限元分析提供参考。后续还应考虑木材种类、木纤维方向、结构胶类型、内嵌长度、CFRP筋直径及表面处理方式、木构件截面形式、木槽形状及尺寸等影响因素对α，p和τ3取值的影响，通过试验对各参数取值进行深化研究。

表2 各曲线的拟合参数值Table 2Fitted parameters for the bond-slip model

图10 试验曲线与改进的BPE模型拟合曲线对比Fig.10 Modified BPEmodel with calibrated parameters vs.test bond-slip curve

5 结 论

（1）木材与CFRP筋粘结破坏存在两种典型的破坏模式：CFRP筋与胶层粘结失效破坏，沿粘结面附近木材失效破坏。

（2）通过对试件的粘结滑移曲线进行分析，将胶层与CFRP筋的粘结滑移破坏过程归纳为微滑移段、滑移段、下降段和残余段。

（3）应变测试表明，荷载较小时内嵌CFRP筋的应变在靠近加载端区域增长较快，而远端应变增长相对缓慢，应变曲线呈向下凸的趋势；随着荷载的逐渐增大，加载端区域应变增长逐渐趋缓，而远端应变大幅度增加；到达峰值时，大部分试件CFRP筋的应变曲线呈向上凸的趋势。

（4）局部粘结滑移曲线与试件总体粘结滑移曲线形式上较为一致，但前者的上升段斜率更大，粘结强度也更高。

（5）本文通过试验结果对改进的BPE模型粘结滑移曲线进行了拟合，拟合曲线与试验曲线吻合较好，说明改进BPE模型能较好地描述木槽中胶层与CFRP筋的局部粘结滑移曲线，可供相关的有限元分析选用。而具体的参数确定尚有待于后续加大试验数量，并对CFRP筋直径和表面形式、木构件截面形式、木槽尺寸等各影响因素进行深入研究。

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Experimental Research on NSM CFRP Bar-to-wood Bond Behavior

ZHANG Fuwen1，2XU Qingfeng1，2，*LIXiangmin1，2CHEN3Jianfei GONG Chuncheng1，2
（1.Shanghai Key Laboratory of New Technology Research on Engineering Structure，Shanghai200032，China；
2.Shanghai Research Institute of Building Sciences（Group），Co.，Ltd，Shanghai200032，China；3.Queen’s University Belfast，Belfast BT7 1NN，UK）

Pull-out tests of eight specimens were conducted to study the bond behavior between near-surface mounted（NSM）CFRP bar and wood.Wood type and bonded length were investigated as the test parameters.The former included two types of wood：old and new Douglas fir.The latter included three bond lengths：80 mm，120 mm and 160 mm.Two typical failuremodeswere observed，including failure at the CFRP bar-adhesive interface and failure in wood near the glue-line.The slip process between CFRP bar and adhesive could be described by micro-slippage segment，slippage segment，descending segment and residual segment.The modified BPE model of local bond stress-slip with fitted parameters was shown a good agreement with test curves，butmuch further research is needed to determine the parameters in themodel.

wood，bond behavior，CFRP bar，near surfacemounted（NSM），slip，bond length

2013－10－11

东南大学城市与建筑遗产保护教育部重点实验室开放课题（KLUAHC 1009）*联系作者，E-mail：xuqingfeng73＠163.com