FRP加固木柱轴压性能研究综述

梅力丹 左宏亮

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic,简称FRP)，是由基体材料与纤维材料按一定的比例经成型工艺复合形成，FRP具有高比强度、高模量、抗腐蚀、耐疲劳等优点。FRP始自于20世纪40年代，但由于受到工艺水平和技术成本的限制，仅应用于军事、航天等高精端领域。自20世纪80年代起随着工艺水平的提升并且FRP具有提高结构的横向拉伸强度和剪切强度等优势，因此FRP被逐步应用于土木工程的领域之中，例如在1981年Meier首次采用碳纤维增强复合材料对桥梁结构进行加固研究[1]。我国在1997年开始引进FRP对土木工程中的建筑构件进行加固，2000年在北京举办了首届FRP混凝土结构学术交流会，为在我国推广及应用FRP加固技术起到了重要作用[2]。在建筑工程领域中，柱作为结构体系里重要的组成部分，决定结构的整体安全性。传统木柱的加固方法主要有剔补、墩接加固、化学灌浆、附加断面法、加铁箍法等，但传统加固技术施工复杂且容易对木柱造成不可逆的损伤。采用FRP加固后的木柱，不增加自重、施工简便、易于替换与修补，同时可为后续的修缮、加固提供有利条件。因此，采用FRP加固木柱具有重要意义。本文针对现阶段FRP加固木柱在轴压状态下的研究情况进行概述，总结以往学者的研究，并提出几点建议。

1 FRP类型及其性能

FRP常见种类有碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料(GFRP)、芳纶纤维增强复合材料(AFRP)、玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)等。FRP主要形式可分为管材、筋材和片材，其中片材分为纤维布和FRP板。目前，FRP相关的加固实际应用与研究多采用纤维布的形式，是由于纤维布的柔韧性较好，适用于不同截面类型的构件并且可现场进行裁剪加固工作，对施工环境和操作工艺要求相对较低，因此被广泛应用于加固混凝土结构、砌体结构、钢结构、木结构等，纤维布的主要类型及其力学指标如表1所示[3]。

2 FRP对加固木柱的轴压性能试验研究

现阶段试验研究多针对于在轴心受压状态下采用FRP加固木柱，研究不同粘贴层数及粘贴方式对木柱的力学性能的影响，如图1，图2所示[4]。详细探究加固木柱在轴压状态下的破坏形态、极限承载力、轴心抗压强度、延性系数、刚度、荷载—位移曲线、荷载—应变曲线等力学特性，并得出相应的结论，为FRP加固木柱应用于实际工程之中提供可靠的依据和参考。

FRP约束木柱具有良好的约束性能。通过对比未加固柱与加固柱的荷载—应变曲线，可观察到未加固柱的荷载与应变近似呈线性关系，木柱破坏形态表现为脆性破坏；加固柱的荷载—应变曲线主要分为两个阶段，第一个阶段为弹性阶段，荷载与应变大致呈线性关系；第二阶段为塑性阶段，应变增幅速度比荷载增幅速度更快，且具有明显的塑性流幅，该阶段可反映出FRP对木柱的约束作用效果，应变增幅越大表明FRP对木柱的约束作用越好，即FRP对核心木柱起到有效约束[5,6]。

FRP加固层数对极限承载力有不同程度的提高。在相同加固方式的条件下，加固木柱的极限承载力随着加固层数的增加有不同程度的提高，但极限承载力不随加固层数的增加而无限增长，当加固层数到达某一限值，极限承载力开始出现下降趋势。例如采用AFRP加固木柱，加固层数增加到第3层时，极限承载力呈现下降状态[4,7]。因此，采用不同的FRP对木柱进行加固时，应首先确定最优加固层数，使加固后木柱的极限承载力提高幅度达到最大值，同时达到经济合理化和满足实际应用的要求。

FRP加固方式对加固效果有不同的影响。采用FRP加固木柱，主要采用沿木柱表面全包裹、局部包裹、间隔包裹的形式，其中因FRP缠绕包裹的角度不同，又可分为环向加固和螺旋加固的形式。通过试验发现，全面积包裹的加固效果最佳，加固效果与FRP的包裹面积有关，其中从缠绕角度的方面可得出以环向加固优于螺旋加固形式的结论[4,8-10]。综合考虑加固要求和经济性等因素，可采用半包或者间隔包裹木柱缺陷、薄弱处等部位，但最佳的包裹位置和包裹间距，有待继续深入研究。

3 FRP加固木柱理论研究

3.1 加固机理

根据木柱的截面形状不同，可分为圆柱和方柱。圆柱表面光滑、无棱角，FRP对核心木柱约束效应呈均匀分布，核心木柱在定值约束应力下产生横向膨胀，当纵向应力达到木柱的三向受压应力强度，加固木柱达到极限承载力；方柱由于存在角部作用效应，使FRP对核心木柱约束不均匀，FRP提供的径向约束力是通过拱效应向木柱传递，按照拱效应的强弱程度，将FRP的约束区可分为强约束区和弱约束区，受到强约束的木柱处于三向受压应力状态，如图3所示。

3.2 强度模型

采用FRP的加固设计中，需估算加固后极限承载力和抗压强度，因此需要建立强度模型为实际的应用与研究提供可靠的依据。现有FRP加固木柱的强度模型，多以FRP加固混凝土柱为参考。已有的FRP约束混凝土柱强度模型[11]多采用式(1):

(1)

周乾[12]参考混凝土强度模型，提出了CFRP约束圆木柱的强度公式，见式(2):

fr=[1+k1(f1/fc,90)]fc

(2)

其中，fr，fc分别为约束和非约束木材的顺纹抗压强度；fc,90为非约束木材的横纹抗压强度；k1为约束有效性系数。

魏洋等人[13]通过试验研究，提出了FRP约束圆木柱的强度模型，见式(3):

(3)

其中，fw为木材的抗压强度；fws为加固木柱的抗压强度；Ef为纤维布弹性模量；εfh为纤维布环向拉应变；tH为环向纤维布厚度；nH为环向纤维布折算层数；d为木柱直径。

梁危等人[14]将试验数据进行拟合，得出FRP约束方木柱的极限抗压强度模型，见式(5):

(4)

(5)

目前，对于FRP加固木柱的强度模型多参考混凝土柱，研究成果较少且没有形成统一的强度计算公式，因此需要进一步的试验研究来验证其正确性。

4 结论与展望

虽然目前对现有的FRP加固木柱研究已取得了一定的成果，但相关的强度分析需进一步考虑和研究，具体问题和展望如下：

1)由于木材是各向异性材料，存在木节、裂缝、虫蛀等多种天然缺陷，同时受到温度、含水率、蠕变等多种因素影响，预估加固后木柱极限承载力与试验实际结果误差较大；

2)目前现有研究多针对于纯圆木柱使用FRP进行加固，但对胶合木方柱的加固研究较少。FRP约束方木柱时存在强、弱约束区，因此确定FRP对木柱核心有效约束面积和与矩形截面的长、宽之间的关系成为关键；

3)现研究的成果中FRP约束方木柱的抗压强度多根据FRP约束圆形柱的基础上进行数据拟合得到约束有效系数，仅对部分种类木材进行试验且试件数量较少，所得理论数值与实际应用的误差较大且不具有普遍性和代表性；

4)实际工程多针对于负载状况的木柱进行加固，但目前研究多对无负载木柱进行加固再进行受力分析，使试验研究结果与实际工程应用有较大的差距，同时纤维布与木柱之间存在应力滞后问题，需要更深入的研究。