玄武岩纤维增强组合木梁抗弯性能的试验研究

李志强 王小东

(河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000)

玄武岩纤维增强组合木梁抗弯性能的试验研究

李志强 王小东

(河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000)

通过优化不同拼接方式对整体木质构件抗弯性能的影响来寻求最佳的玄武岩纤维增强整体组合木梁拼接方案.试验通过对11根矩形截面组合木梁的受弯静力试验，进行了玄武岩纤维板(BFRP)加固组合木梁抗弯性能的研究，分析和研究了影响组合木梁结构性能的各种因素以及组合木梁极限抗弯承载力、挠度等性能.试验结果表明，粘贴BFRP板能提高木梁的极限抗弯承载力，同时适当增大组合木梁层板的厚度和相邻层板榫齿结合处距离可以提高木梁的刚度和延性，且可以通过施加预应力来提高组合木梁的极限抗弯承载力.以上结果说明在木梁受拉区粘贴BFRP板是提高组合木梁抗弯性能的有效方法.

组合木梁；玄武岩纤维板；抗弯加固

0 前 言

木结构一直是中国传统建筑的重要结构形式，一直到今天我国仍旧保存有大量木结构的塔、桥梁等建筑.木结构建筑具有节能、环保、舒适等特点，与现代混凝土结构和钢结构相比更具有安心安全、健康舒适的特征.随着以人为本、注重人与建筑自然和谐共生等理念的深入人心，传统木结构建筑的保护工作日益受到人们的重视[1].木材也可以通过与其它高性能材料复合，进行改性加工制成新型木质构件来提高使用价值和利用率[2].

从上世纪九十年代开始，纤维增强塑料(FRP)就被用在木结构的加固与修复中，几乎同时，国内外的学者展开了FRP应用于木梁、木柱的加固研究[2-3].而将玄武岩连续纤维增强塑料BFRP(Basalt Fiber Reinforced Polymer)应用于木材的加固修复中可以改善木材的受力性能，使劣质木材得以优化利用，提高了木材的使用价值，使得木材在建筑领域应用的范围大大拓宽[4].国内有关BFRP应用于梁构件加固的研究很多.王全凤等进行了玄武岩纤维布加固木梁的抗弯性能试验，研究表明通过在梁受拉面粘贴玄武岩纤维布可以大大提高木梁的极限抗弯承载力[5]；黄丽华等通过在钢筋混凝土梁外部粘贴BFRP，进行了不同粘接层数、横向锚固的试验研究，发现通过在钢筋混凝土梁外部粘贴BFRP材料可以显著地抑制梁的开裂[6].

本试验所用的玄武岩纤维增强组合木梁通过先纵向后横向组合方式将多层(多段)普通长直度、普通径级的木材拼接成整体木梁并与BFRP板复合形成玄武岩纤维增强组合木梁，并将纤维增强组合木梁的抗弯性能与实木梁、组合木梁进行了对比，分析了影响纤维增强组合木梁抗弯性能的各种因素，为木构件的加工设计及工程加固应用提供参考.

1 试件设计

考虑到木材离散性较大，第一组～第五组梁均各制作2个加固方式相同的试件，第六组梁制作了一个试件.共进行了11根矩形截面木梁的受弯试验，其中第一组与第二组为对比梁，一组为实木梁，二组为组合木梁；7根纤维增强组合木梁中，在层板的榫齿结合处用纤维布横向裹敷加强，第三组与第四组梁在梁底次一层粘贴一层BFRP板；第五组与第六组梁在梁底层和次一层分别粘贴一层BFRP板，第六组木梁为预应力木梁.

试件均为矩形截面(b×h=50×110 mm)，跨度1200 mm，净跨1120 mm，第二组与第三组木梁层板厚度为10 mm，第四组、五组与六组梁层板厚度均为30 mm.试验方案及试件编号见表1.

第二组与第三组相邻层板间榫齿结合处距离均在10 cm左右，第四组、五组与第六组相邻层板间榫齿结合处距离均在20-30 cm左右.试件截面形式见图1.

表1 试验方案及试件编号

图1 试件截面形式

2 材料性能

试验所用木材为松木，胶粘剂使用环氧树脂胶，胶泥与固化剂的体积混合比为2∶1.木材顺纹抗拉和抗压强度分别为71、34 MPa.加固材料性能详见表2.

表2 加固材料性能指标

3 加载方案及测量方案

试验在河北省张家口市同兴工程检测有限公司力学实验室WE-100型100千牛顿液压万能试验机上进行，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3KN/min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，应变由XL2101C程控静态电阻应变仪采集，荷载由试验机仪表盘读取，位移由百分表读取.加载装置及测点布置见图2.

图2 加载装置及测点布置

4 试验结果

4.1 破坏形态及机理分析

实木梁(BⅠ-1、BⅠ-2)构件在加载前期，材料基本处于弹性状态，随着荷载的增加，跨中挠度逐渐增大，这个过程中木梁侧面和底面出现了裂缝但不明显，支座沉降很小可以忽略.在木梁达到极限荷载之前，可以听到清脆的木纤维断裂声，之后伴随着一声巨响，木梁突然断裂，具有明显的脆性破坏特征.纤维增强组合木梁(BⅢ-1～BⅥ-1)在加载初期处于弹性变形阶段，随着荷载逐渐增大，纤维增强组合木梁开始进入塑性阶段，在这个过程中木梁层板间环氧树脂胶开裂，可以听到清脆的木纤维断裂声，之后一声脆响，木梁从梁底断裂.实木梁与纤维增强组合木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，破坏点为加载点或跨中处，均属弯曲受拉破坏(见图3).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.最终破坏时挠度已经很大,一旦最外层木材纤维拉断,试件会由于横纹受拉引起纵向的劈裂而导致整个构件在瞬间破坏.BFRP板抗拉强度较高，在试验中并未拉断，出现了与木材剥离的现象.

图3 典型的破坏形式

4.2 横截面应变

试验过程中，木梁试件沿截面高度平均应变基本上呈线性分布，图4为典型的应变变化图，(a)图为第一组实木梁的典型代表(BⅠ-2)，(b)图为第二组～第六组纤维增强组合木梁的典型代表(BⅥ-1)，因此在设计计算此类构件时可以利用平截面假定.

图4 跨中截面的平均应变变化图

1)由图4(a)可以看出，实木梁(BⅠ-2)的中性轴随着荷载的增长向受拉区移动，移动量均值为1.777 mm，平均移动量占梁高1.62%，表明木材的抗压屈服点明显低于抗拉屈服点.

2)由图4(b)可以看出，纤维增强组合木梁(BⅥ-1)的受拉区由于粘贴了BFRP板，受拉区抗拉强度得到了较大提高.中性轴向受拉区移动量较大，移动量最大值约为11.354 mm.

4.3 荷载及挠度曲线

试验木梁跨中截面梁底荷载—挠度曲线如图5所示.

图5 试验木梁荷载—跨中挠度曲线

1)由图5(a)可知，实木梁BⅠ-1～BⅠ-2在0～15 kN之间时，荷载—挠度成线性关系，挠度按比例增加，木梁处于弹性阶段，在未进入弹性阶段之前就发生了破坏，破坏前没有明显的征兆.

2)由图5(b)可知，组合木梁BⅡ-1～BⅡ-2在0～2.0 kN之间时，荷载—挠度成线性关系，挠度按比例增加，木梁处于弹性阶段；在2.0～2.5 kN之间时，木梁进入塑性阶段，跨中挠度增加速度加快，直至破坏，破坏前没有明显征兆.

3)由图5(c)可知，一层BFRP板加固的BⅢ-1～BⅣ-2在0～6.0 kN之间时，荷载—挠度基本成线性关系变化，试件处于弹性阶段；荷载超过6.0 kN之后，进入了塑性阶段；两层BFRP板加固的BⅤ-1～BⅥ-1在0～9.0 kN之间时，荷载—挠度基本成线性关系变化，试件处于弹性阶段；荷载超过9.0 kN之后，进入了塑性阶段.由于BFRP板对木梁变形的约束，两层BFRP板加固比一层BFRP板加固的试件弹性变形阶段和塑性变形阶段有所增加，弹性变形阶段增加约82.73%，塑性变形阶段增加约48.29%.

4.4 承载能力试验结果

表3给出了所有试件极限抗弯承载力的试验结果，表中试验结果数据均为各组平均值.

表3 试验结果

5 试验结果分析

5.1 纤维增强组合木梁与实木梁之间的性能对比

六组梁的极限荷载平均值分别为15，2.25，11.5，12，15，18 kN，表明通过在木梁受拉区次一层及底层粘贴BFRP均可以提高纤维增强组合木梁的抗弯极限承载力.粘贴一层BFRP板的纤维增强组合梁抗弯极限承载力低于实木梁，粘贴两层BFRP板的纤维增强组合木梁承载力与实木梁相同，粘贴两层BFRP板并施加预应力的纤维增强组合木梁承载力超过了实木梁20%.纤维增强组合木梁的延性要好于实木梁.

5.2 组合木梁之间的性能对比

由表3可以看出与组合木梁相比，粘贴一层和两层BFRP板的纤维增强组合木梁抗弯极限承载力均大大提高，粘贴两层BFRP板比粘贴一层BFRP板承载力提高25%，施加预应力后又比粘贴两层BFRP纤维增强组合木梁提高20%.

5.3 纤维增强组合木梁的性能影响因素分析

5.3.1 层板厚度对纤维增强组合木梁受弯性能的影响

第二组与第三组木梁的层板厚度为10 mm左右，第四、五、六组木梁的层板厚度为30 mm左右(见图1)，由试验数据可知，加大层板厚度对提高组合木梁的刚度与抗弯极限承载力是有利的.

5.3.2 相邻层板榫齿结合处距离对纤维增强组合木梁受弯性能的影响

第二组与第三组木梁相邻层板间榫齿结合处距离均在10 cm左右，第四组、五组与第六组木梁相邻层板间榫齿结合处距离均在20-30 cm左右.由表2是试验数据可知，增大相邻层板间榫齿结合处的距离提高了纤维增强组合木梁的抗弯刚度和极限抗弯承载力.

5.3.3 BFRP层数对纤维增强组合木梁受弯性能的影响

第三组与第四组木梁粘贴一层BFRP板，第五组木梁粘贴两层BFRP板，由表2试验数据可知，增加BFRP板的层数有利于提高纤维增强组合木梁的抗弯承载力，对抑制梁底裂缝的过早开裂是有利的.

5.3.4 预应力对纤维增强组合木梁受弯性能的影响

第五组与第六组木梁均粘贴了两层BFRP板，但第六组木梁施加了预应力，由试验数据可以得到，第六组木梁的极限抗弯承载力比第五组木梁提高了20%，第六组木梁极限抗弯承载力超过了第一组实木梁，证明BFRP预应力组合木梁在极限抗弯承载力方面可以达到甚至超过实木梁.

6 结 论

本文通过对11根木梁试件的试验研究发现，基于松木板材的玄武岩纤维增强组合木梁具有较好的结构性能，可以做到小材大用，劣材优用.

根据试验结果，可以得到如下结论：

(1)通过在木梁受拉区粘贴BFRP板可以显著提高木梁极限抗弯承载力，第五组木梁的极限抗弯承载力比第四组木梁提高了25%.

(2)粘贴玄武岩纤维板能提高木梁的刚度，同时组合木梁的延性有很大提高.

(3)通过增大纤维增强组合木梁层板的厚度以及适当增大相邻层板间榫齿结合处距离可以提高木梁极限抗弯承载力，第四组木梁极限抗弯承载力比第三组增大了4.35%.

(4)通过施加预应力可以提高纤维增强组合木梁极限抗弯承载力，在这方面超过了实木梁，极限抗弯承载力比实木梁提高了20%.

[1]蒋湘闽，胡平.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

[2]Triantafillou T C，Deskovic N.Prestressed FRP sheets as external reinforcement of wood members[J].Structural Engineering，1992，118(5)：1270～1284

[3]PlevrisN,Triantafillou T C.FRP-reinforced wood asstructural material[J].Materials in Civil Engineering，1992，4(3)：300～317

[4]熊陈福.玄武岩连续纤维增强塑料(BFRP)/木材复合材料的研究[D].北京：北京林业大学，2006

[5]王全凤，李飞,等.玄武岩纤维布加固木梁抗弯性能的试验研究与有限元分析[J].工业建筑，2010，40(4):126～130

[6]Huang Lihua，Li Yujing，Wang Yuefang.Strengtheningeffects of BFRP on reinforced concrete beams[J].Journal of SoutheastUniversity(English Edition)，2013，29(2)：182～186

Study on Flexural Behavior of Fiber-reinforced Composite Timber Beams With Basalt

LIZhi-qiang,WANGXiao-dong

(Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,075024 China)

In this paper,the optimization of the effect of different splicing methods on the bending resistance of the whole wood component is studied to find the optimal plan of the whole composite wood beam of the basalt fiber-reinforced composite.The flexural strength of composite wood beams strengthened by BFRP was studied by bending static test of 11 beams with rectangular cross-section.The factors influencing the structural properties of composite wood beams,ultimate bending bearing capacity,deflection and other properties were analyzed and studied.The results show that the ultimate bending capacity of wood beams can be improved by pasting BFRP,and the stiffness and ductility of wood beams can be improved by appropriate increasing the thickness of the composite timber beams and the distance between the adjacent plates and the joints.Prestressing force is applied to improve the ultimate flexural capacity of composite wood beams.The above results show that it is an effective method to improve the bending resistance of the composite beams by attaching the BFRP plates to the tension zone of the timber beams.

composite wood beams;basalt fiberboard;bending reinforcement

2016-11-01

河北省教育厅指令性科技计划项目(QN2014219)；河北建筑工程学院校级重点项目(ZD201405)

李志强(1975-)，男，山西襄垣人，教授，硕导.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.02.006

TU 3

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