玻璃纤维加固木结构的长期蠕变初探★

何鑫巍 薛冬冬 付 雨 朱晓冬*

(东北林业大学材料科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

木材是由纤维素、半纤维素和木质素等多组分构成的一种非均质的、各向异性的天然高分子材料，具有良好的力学性能，具有粘弹性，其应力、应变与时间有依从关系，重量轻，具有较高的强重比，加工制作简单，从古至今作为优良结构材使用。随着对木材改性研究的进一步深入，利用木材诸多天然优点，木材可被加工成各种形式的梁、桁架和网状空间结构等建筑结构用材，也可以用作室内外装饰用材。木材作为建筑结构用材，与钢筋混凝土结构相比，一方面具有环保可再生、安全可靠、优良的环境学特性等优点，另一方面也具有横纹强度低、多木节裂缝、弹性模量小和易受干湿循环影响等缺点，需要进行定期的维护和修复。常用的加固修复方法包括木构件直接替换和设置钢结构支撑等等，但是这些传统方法可能会破坏历史建筑的原有风貌，因施工时间过长影响正常使用，不能广泛应用于木结构的维修加固中［1-4］。纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Plastic，FRP)加固技术是一种用胶粘剂把FRP粘结在结构外部进行加固，以提高构件承载力的加固方法。FRP优良的材料特性使该加固方法有以下主要技术优势:高强高效;不影响结构自重及尺寸;施工方便，操作性强，不需要大型施工设备，施工占用空间少，适用于各种类型和形状部位的加工修补;抗疲劳、耐腐蚀性好［5］。用FRP加固木结构不仅可以提高木质材料作为结构材使用时的承载力、刚度和延性，还可以提高木结构的耐久性和徐变性［6］。但是，在实际使用过程中，温度、含水率和应力水平等因素对FRP加固木梁的蠕变都有重要的影响。而木材蠕变的精确预测对于木结构中的变形限值设计是必需的，因此本文对不同应力水平下FRP加固木梁的机械吸附蠕变进行研究，为进一步扩展FRP加固木梁技术在工程界的应用提供参考。

1 实验材料与方法

1．1 实验材料

本试验木梁试件采用北方建筑受力构件中常用的落叶松，纤维布采用GFRP，即玻璃纤维布，粘贴用胶粘剂采用环氧树脂胶粘剂，与固化剂均为市场购买。落叶松木梁不含木节，试件尺寸按照国家标准GB 50005-2003木结构设计规范规定制作，采用400 mm×70 mm×30 mm的试件。环氧树脂胶粘剂与固化剂均由市场购买，使用配比为4∶1。根据前期研究确定的GFRP加固木梁最佳粘贴工艺，将玻璃纤维增强材料粘贴在木梁的下端面，即木梁受拉面。

1．2 蠕变测试方法

为了研究GFRP加固木梁的机械吸湿蠕变性能，首先需要进行木梁、纤维增强材料和GFRP加固后木梁的基本物理力学性能试验。参照GB 1935-91木材物理力学性质的试验方法、美国相关木材试验标准ASTM D143-94(2000)和GBT 9979-2005纤维增强塑料高低温力学性能—试验准则，应用万能力学试验机测定极限强度，确定蠕变实验的载荷水平。

试件蠕变测试采用三点弯曲挠度测量法，两支点之间间距在试材厚度10倍以上，载荷施加于试件中间，使试件发生纯弯曲。在载荷的正上方放置一个千分表，测量精度为0．001 mm，用于测量实验过程中试件的变形量，如图1所示。在给定的应力作用下，0 h～1 000 h内，按预先确定的时间间隔，通过千分表测出各试件在不同时刻的应变量。实验中，蠕变数据的测定在室内，环境温度在15℃ ～35℃之间，环境相对湿度在20%～50%。

图1 蠕变测试方法

图2 不同种类落叶松木梁的长期蠕变测试结果

2 结果与讨论

将落叶松木梁分为四组，分别为A(120 kg载荷)，B(140 kg载荷)，C(160 kg载荷)，D(GFRP加固木梁加载160 kg载荷)。应变测试结果如图2所示。从图2中可以看出玻璃纤维加固木结构的长期蠕变经历一个复杂的过程，蠕变前期30 h之前与同种载荷的未加固木材产生变形相似，只有较小的变形，在1 mm～1．2 mm左右。30 h之后普通木梁变形迅速增大，并且载荷越大，变形值越大。玻璃纤维加固木结构的蠕变也会稍微加剧，但变形增加速度明显小于普通木梁。720 h后玻璃纤维加固木结构与普通木结构的蠕变趋势相似，都会明显减小变形增加速率。

3 结语

玻璃纤维加固木结构在蠕变前期30 h之前与同种载荷的木材产生变形相似，在1 mm左右，30 h之后普通木梁变形迅速增大，玻璃纤维加固木结构的蠕变也会稍微加剧，但是变形增加的速度明显小于普通木梁。720 h后玻璃纤维加固木结构与普通木结构相似，都会明显减小变形增加速率。玻璃纤维加固木结构在承受相同载荷时可以减小木结构的变形，尤其是在变形快速增大的阶段。

［1］Gomez S，Svecova D．Behavior of split timber stringers reinforced with external GFRP sheets［J］．J Compos Constr，2008，12(2):202-211．

［2］Kim YJ，Harries KA．Modeling of timber beams strengthened with various CFRP composites［J］．Eng Struct，2010，32(10):3225-3234．

［3］Pantelides CP，Romero P，Reaveley LD．Rehabilitation of splice connections of wood trusses with FRP composites［J］．Constr Build Mater，2010，24(1):37-45．

［4］马建勋，蒋湘闽，胡 平，等．碳纤维布加固木梁抗弯性能的试验研究［J］．工业建筑，2005，35(8):35-39．

［5］卢亦焱，黄银燊，张号军，等．FRP加固技术研究新进展［J］．中国铁道科学，2006，27(3):34-42．

［6］沙 洲，朱晓冬．FRP材料增强木结构研究综述［J］．森林工程，2012，28(3):57-61．