BFRP筋增强胶合木梁受力性能分析

陈爱军，贺国京，蔡郭圣，王解军，彭容新

（中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004）

面对严重污染的环境、约束趋紧的资源、退化的生态系统，国家大力推进生态文明建设，生态理念深入人心。土木工程师在建筑材料选用方面注重生态环保，推崇建筑与自然和谐，胶合木美观、可降解、强质比高，越来越得到工程师们的青睐，广泛应用于工程领域。

胶合木的加工工艺使得木材天然存在的缺陷得到有效分散，其具有原木梁不可比拟的力学性能，但随着时代的发展，对胶合木构件的力学性能要求有所提高。在短期荷载作用下，胶合木梁的承载力取决于底部受拉层板的抗拉能力及其变形，如底部受拉层存在木节等缺陷，将会直接影响构件的受力性能。普通胶合木梁受弯时，往往以受拉脆性破坏为主[1]，木梁底部有缺陷位置首先出现裂缝，然后裂缝迅速发展，导致工作截面高度减小，截面应力瞬间达到极限值，使整个构件破坏，受压区木材强度得不到充分的利用，其破坏过程无明显征兆。

在胶合木梁增强方面，研究人员进行了一些探索，国内外学者主要采用金属材料、玻璃纤维和碳纤维等材料来增强胶合木梁。杨会峰等[2-4]将CFRP板材置于木材层板之间的方式来增强胶合木梁，对其进行了理论分析及系列试验研究。Lindyberg R F等[5]共研究了90根FPR增强胶合木梁，通过试验数据建立了非线性概率加筋胶合木梁模型。陆伟东等人[6-9]提出将CFRP板条竖嵌于胶合木梁底层板的方式增强胶合木梁，研究了其弯曲蠕变性能和抗弯性能，并对其界面黏剪应力做了理论分析和有限元模拟，得到的界面黏剪应力计算公式与有限元分析拟合较好。鞠冬冬[10]研究了CFRP筋增强胶合木梁的抗弯性能，探究了有无粘结及预应力对胶合木梁增强效果的影响。Laura De Lorenzis等[11]研究了CFRP筋与胶合木之间的界面粘结性能及增强梁的受弯性能。文献[12-15]利用金属材料对胶合木梁进行增强，发现胶合木梁刚度和受弯极限荷载得到明显提高。左宏亮等[16]研究了玄武岩纤维材料增强胶合木梁的受弯性能。文献[17-18]采用玻璃纤维复合材料增强胶合木梁，并研究了其受弯性能。

国内外学者在提高胶合木梁的刚度和极限承载能力等方面取得了大量的研究成果，而采用玄武岩纤维复合筋增强胶合木梁的研究较少。在倡导可持续发展的今天，利用具有可回收、强度高的环保型复合材料势不可挡。玄武岩纤维复合筋是采用高强度的玄武岩纤维及乙烯树脂或环氧树脂在线拉齐、缠绕、表面涂覆和复合成型的新型建筑材料。玄武岩纤维复合筋具有优异的力学性能，质量轻，化学稳定性和电绝缘性能较好，并且玄武岩纤维筋可回收利用，不会产生污染且性价比高。胶合木梁增强筋选择玄武岩纤维复合筋可谓真正的理想选材。

本研究以东北落叶松为原材料，利用现代胶合技术胶合而成的胶合木梁为研究对象，通过玄武岩纤维复合筋(BFRP筋)增强的胶合木梁进行力学性能研究，为胶合木梁增强研究提供参考。

1 试验概况

为提高胶合木梁的抗弯刚度，改善其受弯性能，采用新型环保材料BFRP筋来对其进行增强。本研究以东北落叶松为基材，共制作了6组胶合木试验梁，为了消除木材的变异性对试验结果的影响，每个试验组包括3根梁。本研究探讨了不同配筋率情况下胶合木梁的破坏形态、刚度和极限承载力。

1.1 试件设计制作

根据《木结构实验方法标准》[19]（GB/T5039-2012），试件的高跨比不大于1/18时，可不考虑剪切对试件变形的影响，故本试验木梁的高跨比为1/18。本试验胶合木梁由6层落叶松锯材层板胶合而成，层板刨光后厚度为32 mm。试验胶合木梁尺寸均相同，其尺寸为110 mm×192 mm×3 750 mm（b×h×L）。6组胶合木梁中1组为未增强梁，5组为不同配筋率的BFRP筋增强梁，每根胶合木梁配置2根BFRP筋。试件具体的参数见表1。

表1 胶合木试验梁分组及编号汇总Table 1 Summary of grouping and numbering of plywood test beams

BFRP筋通过内嵌方式配置在胶合木梁底部，在其底部对称铣出2个20 mm×20 mm的通长槽，木槽距梁底边缘20 mm，将BFRP筋放置在槽中，并用环氧树脂胶将筋与木梁粘结成一整体，如图1。同时，在增强胶合木梁的两端增设由钢板和带螺母的无缝钢管组成的锚固装置（图2）。

图1 配筋梁横断面(cm)Fig.1 Cross-section of a reinforced beam

图2 锚固装置示意图Fig.2 Schematic diagram of anchorage device

1.2 试件材料

1.2.1 环氧树脂胶

本试验所采用的环氧树脂胶为JN-Z植筋锚固胶。它是改性环氧类高耐腐蚀性、高强度双组份(A剂和B剂)复合树脂胶泥，使用时A剂、B剂按2:1的比例混合。该植筋锚固胶安全且无毒，具有强度高、粘结力强、耐久性优异等特点。其劈裂抗拉强度为16 MPa，抗弯强度为70 MPa，抗压强度为90 MPa。

1.2.2 胶合木

对10个尺寸为20 mm×20 mm×20 mm的落叶松胶合木构件进行了含水率和密度测定试验，得到其平均含水率为13.02%，平均气干密度为0.61 g/cm3。参考课题组成员对落叶松试件进行的抗弯及顺纹抗压试验得到的数据，对其进行换算得到胶合木抗弯弹性模量为11.24 GPa，顺纹抗压强度为47.28 MPa，抗弯强度为58.29 MPa，泊松比为0.36。

1.2.3 BFRP筋

试验前分别对直径为8、10、12、14、16 mm的BFRP筋进行了拉伸试验，每种直径试样3根，得到不同直径BFRP筋的抗拉强度、弹性模量和极限应变等材性参数如下：8、10、12、14、16 mm直径的BFRP筋抗拉强度平均值分别为1 126、1 049、910、881、857 MPa，其弹性模量平均值分别为51.2、53.0、54.5、54.8、55.4 GPa，其极限拉应变平均值分别为0.021 8、0.019 8、0.016 7、0.016 1、0.015 4。

1.3 试验加载与测点布置

试验加载采用图3所示的三分点加载装置进行。加载分为预加载和正式加载两个阶段，预加载以消除使梁与支座间的间隙，并检查试验装置的可靠性及试验仪器是否正常工作。

正式加载采用分级加载，从零开始逐级施加，每级加载荷载增量为5 kN。试件变形趋于稳定后进行下一级加载；当荷载达到预估极限荷载的70%后，每级加载荷载增量为2 kN；当荷载加载到预估极限荷载的85%后，每级加载荷载增量为1 kN，直至试件破坏。

在支座、三分点和跨中位置处各布一个百分表；在梁跨中截面均匀布置6个应变片，并在跨中截面梁底及梁顶各布置2片应变片；在BFRP筋中点位置粘贴2片应变片。并采用配套的应变采集仪全程采集，荷载大小通过力传感器显示。测点布置如图3所示。

图3 试验加载示意及测点布置 mmFig.3 Illustration of loading test and layout of measuring points

2 试验现象

W组、L1～L2组梁在加载初期阶段基本处于线弹性阶段，加载过程中可听到木纤维拉断声，直至木梁破坏，木梁顶部木材无褶皱现象出现，上缘受压区材料并没有得到充分发挥。未配筋胶合木梁底部薄弱位置一旦开裂，裂缝发展较迅速，从底层板迅速发展至其他层板，木梁发生破坏；对于配筋胶合木梁，此时配筋率较低，在加载过程中梁底首先出现裂缝，其发展速度较慢，木梁仍能继续承受荷载。本试验中W组、L1～L2胶合木梁发生受拉脆性破坏，其破坏形态如图4(a)～4(c)所示。

图4 胶合木梁破坏形态Fig.4 Failure pattern of glued wood beam

L3组胶合木梁在破坏前，木梁顶部木材出现褶皱裂纹。在加载后期有较大的木纤维被拉断的声响，胶合木梁产生较大变形，最后受拉侧木纤维被拉断，整个木梁破坏，木梁表现出一定的延性，属于受拉延性破坏。破坏形态如图4(d)，胶合木梁受压侧纤维先达到屈服强度，有褶皱产生，继续加载，受拉侧的木纤维达到极限拉应变而被拉坏。

L4～L5组胶合木梁在破坏前，木梁顶部木材出现明显褶皱和多条裂缝，受压区被压坏，发生塑性变形，而受拉侧木材却并未发生破坏；受压侧木纤维已达到极限压应变发生破坏，受压区材料抗压性能得到充分的发挥，木梁破坏前有明显征兆，并表现出较大的延性，属于受压延性破坏。破坏形态如图4(e)和4(f)所示。

试验过程中植筋胶没有出现断裂，BFRP筋与木梁粘结可靠，直至木梁破坏，各层层板间未出现相对错动和开胶现象。玄武岩纤维复合筋明显提高了胶合木梁的刚度，也提高了它的承载力。

通过试验现象可发现，BFRP筋增强后的胶合木梁破坏类型为受拉脆性破坏、受拉延性破坏和受压延性破坏。当配筋率ρ≤0.77%时，增强胶合木梁表现为受拉脆性破坏，受压区材料性能并没得到充分发挥；当配筋率为0.77%～1.51%之间时，增强胶合木梁表现为受拉延性破坏，受压区材料性能得到较好的发挥；当配筋率ρ≥1.51%，增强胶合木梁表现为受压延性破坏，受压区材料性能也得到充分的发挥，此时，受拉区木材并未发生破坏。

3 结果与分析

3.1 荷载-跨中挠度曲线

图5为W组、L1～L5组胶合木梁梁的荷载-跨中挠度曲线。

图5 各组试验梁荷载-跨中挠度曲线Fig.5 Load-midspan deflection curves of each set of test beams

增强胶合木梁和未增强胶合木梁在加载初期，其荷载-挠度变化关系均类似，但曲线斜率不同，说明胶合木梁刚度得到提高。增强胶合木梁与未增强胶合木梁相比，其抗弯刚度分别提高了7.1%、10.0%、14.6%、21.8%、28.2%。胶合木梁配筋率越大，其整体刚度越大，各组胶合木试验梁平均刚度值，如表2所示。

表2 各组试验梁平均刚度Table 2 Average stiffness of each set of test beams

未增强胶合木梁直至破坏其荷载-挠度曲线仍为线性，而增强胶合木梁的荷载-挠度曲线分为两个阶段，在加载后期其荷载-挠度曲线呈现非线性，其刚度减小，挠度变化速度增加；胶合木梁最终破坏时产生较大的变形，表现出较好的延性。说明使用BFRP筋来增强胶合木梁的方法是有效的，增强胶合木梁变形性能得到明显的改善，其极限承载力和最大挠度均有提高。

3.2 极限荷载

将未增强胶合木梁和不同配筋率的BFRP筋胶合梁试验结果汇总，如表3所示。

表3 试验结果汇总表Table 3 Experiment results of of each set of test beams

胶合木梁在梁底开槽配置BFRP筋能提高其极限承载力，配置BFRP 筋增强的胶合木梁与未增强胶合木梁相比，承载力分别提高15.6%、27.8%、36.9%、48.4%、50.5%。

BFRP筋抗拉强度高，将其适当配置在胶合木梁底部时，能降低裂缝的发展速度；试验梁底层板出现裂缝后，在BFRP筋和受压区木材共同作用下，胶合木梁仍能继续承受荷载，胶合木梁的极限承载力得到提高。当配筋率大于1.51%时，胶合木梁的承载力增加幅度较小，胶合木梁已达到超筋状态，其受压侧强度得到较充分利用，木梁极限承载力不再增加。试验梁抗弯极限承载力随BFRP筋配筋率变化，如图6所示。

图6 胶合木梁极限承载力与配筋率变化的关系Fig.6 Relationship between ultimate bearing capacity and reinforcement ratio of glulam beam

3.3 荷载-应变曲线

图7为W、L1～L5组中梁的跨中位置荷载-应变曲线，图中正应变表示受拉，负应变表示受压，编号①～⑥分别表示各组胶合木梁梁底第1层至第6层层板应变平均值，编号⑦表示2根BFRP筋应变的平均值。

在加载的初始阶段，增强胶合木梁和未增强胶合木梁各测点的应变与荷载为线性增加，到加载后期阶段，增强胶合木梁应变曲线向外侧偏移，受拉区和受压区的应变表现出非线性变化，部分试验梁呈现塑性变形。未增强胶合木梁最底层最大拉应变为3.653×10-3，受压区最顶层最大压应变为-3.391×10-3；增强胶合木梁受拉侧最底层最大拉应变分别为 4.028×10-3、4.636×10-3、4.910×10-3、5.332×10-3、5.206×10-3，其受压区顶层压应变分别为 -3.925×10-3、 -4.244×10-3、-5.232×10-3、-5.311×10-3、-5.129×10-3，胶合木梁破坏时最大拉应变和最大压应变均有明显提高。

增强胶合木梁发生受拉脆性破坏时，胶合木梁底部受压侧边缘木纤维未达到极限应变，受拉侧边缘的木纤维就已经达到其受拉极限强度而发生破坏，胶合木梁在破坏前未显现出塑性；当胶合木梁发生受拉延性破坏时，胶合木梁受压侧边缘木材应变已超过其弹性极限应变，胶合木梁呈现出塑性，与此同时，胶合木梁受拉侧木材边缘应变达到其极限拉应变，胶合木梁破坏；胶合木梁发生受压延性破坏时，其受压侧木材边缘的应变达到极限压应变，但受拉侧木材边缘还未达到极限拉应变，胶合木梁表现出较明显的塑性发展。

图7 荷载-跨中截面应变曲线Fig.7 Load-strain curves for cross section at midspan

胶合木梁底层板应变与BFRP筋应变变化趋势基本相同，说明BFRP筋与胶合木梁粘结较好，直至胶合木梁破坏，BFRP筋应变并未达到其极限拉应变，BFRP筋未发生破坏。

试验中BFRP筋与胶合木梁未产生相对滑移，BFRP筋与胶合木梁能较好的协同工作，BFRP筋可有效阻止裂缝的开展，降低木材缺陷对其受弯的影响，胶合木梁受拉区木纤维应变得到相应的提高。胶合木梁受压侧木纤维的极限应变有较大的提高幅度，说明配置BFRP筋能使木材抗压强度利用的较充分。配筋率达到一定程度，胶合木梁破坏时表现出明显的塑性破坏特征，胶合木梁受弯时木材抗压强度不能充分发挥的缺点得到了有效克服。

4 结 论

本研究主要对不同配筋率的BFRP筋增强胶合木梁进行受弯性能试验，通过试验现象和测试数据，得出不同配筋率下胶合木梁的极限承载力、破坏形态，得到以下结论：

1）配置BFRP筋能延迟胶合木梁受拉侧木纤维受拉破坏，从而使胶合木梁抗弯性能得到显著改善。并且随着配筋率的提高，胶合木梁受压区层板压应变增大，受压区木材强度得到较充分发挥。所以，配置BFRP筋既可以提高胶合木梁抗弯刚度和极限承载力，又可以改善木材缺陷对其受弯性能的影响。

2）与未增强胶合木梁相比，增强胶合木梁极限承载力分别提高15.6%、27.8%、36.9%、48.4%、50.5%，其刚度分别提高7.1%、10.0%、14.6%、21.8%、28.2%。胶合木梁极限承载随着配筋率的增加而增大，配筋率超过1.51%后，其承载力不再继续增加。

3）BFRP筋增强胶合木梁的破坏类型可分为受拉脆性破坏、受拉延性破坏、受压延性破坏三种。当配筋率ρ≤0.77%时，增强胶合木梁呈现受拉脆性破坏，配筋率ρ在0.77%～1.51%之间时呈现受拉延性破坏，当配筋率ρ≥1.51%时，呈现受压延性破坏。根据不同的破坏类型，BFRP筋增强胶合木梁同样可分为少筋梁、适筋梁、超筋梁，其配筋率也分别对应于受拉脆性破坏、受拉延性破坏、受压延性破坏三种类型的配筋率。

4）本研究仅对BFRP增强胶合木梁在短期荷载效应下的抗弯性能进行研究，而实际工程的结构受力是长期的，有待进一步开展BFRP筋增强胶合木梁的长期受力性能比如蠕变性能的研究。同时，应考虑木材缺陷、温度和湿度变化等对BFRP筋增强胶合木梁蠕变性能的影响。