木材横纹抗拉力学性能改善方法试验研究

2020-11-12刘应扬聂熙哲张天齐

结构工程师 2020年4期

刘应扬聂熙哲黎章张天齐徐勇

（郑州大学土木工程学院，郑州450001）

0 引言

现代木结构建筑技术发展迅速，为中国建筑产业的绿色转型提供了可行的解决方案。首先，木材是环境友好的绿色材料，每生产1 t 钢材、水泥释放的二氧化碳（CO2）分别相当于0.6 t、0.3 t标准煤产生的CO2，而1 t 木材在生长期内可吸收0.7 t 标准煤产生的CO2［1］；其次，木材是良好的保温材料，较混凝土、砌体和钢材，可有效降低建筑物在使用阶段的能源消耗；再次，木结构施工全装配化，施工设备更为轻便，大幅缩短现场施工工期并减少对周边环境的影响；最后，木质房屋具有自然、舒适、宜居的天然属性。因此，木材作为结构用材，部分替代混凝土、砌体和钢材从产业链上减少对水、空气和能源的不利影响和减少碳排放，从而带来良好的环境效益。

木材作为成簇纤维组成的材料，横纹方向的强度较弱，尤其以横纹抗拉强度为甚，在工程设计中一般不考虑该方向的强度［2］。然而，无论是传统的榫卯连接，还是现代辅以金属件的连接形式，在节点区域内总不可避免地出现横纹方向的拉应力，这成为结构和构件的薄弱环节［3］。因此，有学者对木结构的横纹加固方法进行了试验和理论研究，加固方法包括FRP 布加固、设斜撑法、嵌缝加箍法、自攻螺钉加固等。Brunner 等［4］和杨会峰等［5］进行了CFRP布加固胶合木梁的试验，试验表明，加固后梁的抗弯刚度和承载力均有所提高；姬卓［6］研究了CFRP 布不同粘贴方式和层数对木梁的加固效果；César Echavarría 等［7］采用CFRP、GFRP、金属板、竹纤维等加固胶合木梁，比较了不同材料加固木梁对于最大承载力和刚度的提高程度；祝恩淳等［8］通过对60 个采用国产圆钉制作的轻型木结构，研究了其刚度退化和承载力变化规律；徐天琦等［9］针对钢填板-螺栓胶合木梁-柱连接节点易发生木材横纹劈裂脆性破坏的问题，提出在钢填板上下端增设翼缘以降低木材横纹拉应力或约束木材横纹裂缝扩展。综合国内外现状，针对木材横纹力学性能的研究多集中在整体结构和构件性能的改善上，较少涉及木材横纹抗拉性能的基本测试方法，即小清样试件（Small Clear Specimens）受拉试验［10］。为此，本文设计木材小清样试件，考虑了植入自攻螺钉、FRP 布包裹、植入顺纹木榫、植入单自攻螺钉加FRP 布包裹组合方式的加固方法，通过小清样试件的受拉试验来研究木材横纹抗拉性能的改善方法。

1 试验概况

试验共设计了7组试件，a组为对照组，b组为植入单自攻螺钉加固组，c 组为植入双自攻螺钉加固组，d 组为植入三自攻螺钉加固组，e 组为FRP 布包裹加固组，f组为植入顺纹木榫加固组，g组为植入单自攻螺钉加FRP 布包裹组合方式加固组，试件设计概况如表1 所示。试件设计参考美国ASTM D143 标准［10］，材料采用中国白松。试件设计的目的是：①研究木材横纹受拉的破坏机制；②探索并总结木材的加固方法及流程；③对比对照组和加固组的力学性能指标，分析各方法的差异。

表1 试件设计概况Table 1 Overview of specimen design

1.1 试件设计

1.1.1 对照组

对照组为未加固试件，试件尺寸为63 mm×50 mm×50 mm（长×宽×高），如图1 所示。其余各组木构件几何尺寸采用相同的设计。需要特别指出的是，本文为初步探索性试验，试件尺寸相对较小，并未考虑木材的截面尺寸效应［11］。

图1 试件设计详图（单位：mm）Fig.1 Details of specimen design（Unit：mm）

1.1.2 植入自攻螺钉加固组

本组试件加固沿木构件横纹方向植入自攻螺钉，考虑了自攻螺钉数量的变化对木构件加固效果的影响，分别植入单个自攻螺钉、两个自攻螺钉以及三个自攻螺钉。自攻螺钉设置的边距和孔距参考了相关规范［3］和文献［12］，各组自攻螺钉的布置如图2所示，自攻螺钉参数如表2所示。

图2 螺钉布置图（单位：mm）Fig.2 Layouts of self-tapping screws（Unit：mm）

1.1.3 FRP布包裹加固组

本组试件加固采用FRP 布环绕包裹的方法，包裹的方法和设置原则参考了相关研究文献［13-14］。采用一层FRP 布进行包裹，接头处搭接长度为L/10（环绕包裹试件一圈长度为L），宽度为6 mm。选用的FRP 布的材性如表3 所示。加固流程如下：①对试件棱角边进行打磨并清除试件上灰尘、木屑；②将FRP 布进行裁剪并确定其粘贴位置；③用环氧树脂胶在试件外表面涂抹均匀并用FRP布进行包裹，养护至胶体完全固化。

表2 自攻螺钉材料参数Table 2 Material parameters of self-tapping screws

表3 FRP布材料参数Table 3 Material parameters of FRP

1.1.4 植入顺纹木榫加固组

本组试件加固沿木构件横纹方向植入顺纹木榫，木榫为直径8 mm 的圆柱体，其主要加固流程如下：①确定试件表面中心位置并钻孔，孔直径为9 mm 且贯穿整个试件，然后清除孔内细屑；②植入顺纹木榫并用环氧树脂填充空隙；③将突出试件表面的木榫用砂纸打磨，使试件表面保持光滑平整，便于加载。试件制作如图3所示。

图3 植入顺纹木榫加固组Fig.3 Reinforcement group with inserting wooden tenon parallel to grain

1.1.5 植入单自攻螺钉加FRP 布包裹的组合方式加固组

本组试件加固在植入单个自攻螺钉试件的基础上，再采用FRP 布包裹的加固方法。其主要加固流程如下：①采用单个自攻螺钉植入试件并贯穿整个试件；②将试件棱角处打磨成弧形；③用FRP布对试件进行包裹。试件制作如图4所示。

1.2 试验装置及加载制度

试验采用万能试验机进行加载，其加载量程为0～100 kN，同时设计钢夹具与试验机连接进行加载，如图5（a）所示。夹具分为上、下两部分：上部为拉-压力转换装置，如图5（b）所示。设置压力传感器采集试验荷载；下部为木构件夹具，并在其两翼各装配有一个位移传感器，采集试验中木构件的变形数据，如图5（c）所示。试验加载速度采用2.5 mm/min，加载至承载力显著下降（下降至极限荷载的80%）或构件出现明显破坏为止［14］。试验过程中测得试件含水率为12%～14%。

图4 植入单自攻螺钉加FRP布包裹组合方式加固组Fig.4 Reinforcement group with inserting single selftapping screw and wrapping with FRP

图5 试件装置Fig.5 Specimen device

2 试验现象及破坏模式

2.1 对照组

在加载初期试件处于弹性工作阶段，试件无明显变形。随着荷载增大，试件出现噼啪声并开始产生细微裂缝，裂缝从试件一侧出现并迅速向另一侧发展，随后试件从中部断裂，试验终止。对照组试件的破坏现象如图6所示。

图6 对照组试件破坏现象Fig.6 Failure phenomena for specimens of comparison group

2.2 植入自攻螺钉加固组

单自攻螺钉加固组试件在进行试验时，加载初期试件并无明显变形。随着荷载增加，出现噼啪的响声且裂缝开始出现，但出现时间较对照组有所推迟。裂缝从两侧出现并向试件中心区域发展，在裂缝形成贯穿时，由于自攻螺钉的内置拉紧作用，试件并未完全分裂成为两部分，试件破坏后，断口与未加固组试件断口相同。破坏现象如图7（a）所示。双、三自攻螺钉加固组试验现象与单自攻螺钉加固组试验现象基本相同，但裂缝出现时间与单自攻螺钉加固组相比更为推迟，裂缝延伸速度变缓。试件破坏现象如图7（b）、图7（c）所示。

图7 植入自攻螺钉加固组破坏现象Fig.7 Failure phenomenon for reinforcement group with self-tapping screws

2.3 FRP布包裹加固组

初期加载时试件发出轻微的噼啪响声，结构胶出现剥离现象。随着荷载增加，试件从一侧出现裂缝向另一侧缓慢延伸，荷载增加到一定值时裂缝发展完毕。加载后期试件噼啪响声增大，FRP布被拉断且试件被破坏。试件破坏现象如图8所示。

2.4 植入顺纹木榫加固组

试验加载初期时试件处于弹性阶段，出现轻微的噼啪声但试件外观没有出现明显变化。裂缝从两侧出现向试件中部延伸。裂缝发展完毕时木块中部裂缝处出现粘连现象，表现出与自攻螺钉加固组类似的现象。荷载增加到一定值时木榫拉出，试件破坏，破坏现象如图9所示。

图8 FRP布包裹加固组破坏现象Fig.8 Failure phenomenon for reinforcement group with FRP wrapping

图9 植入顺纹木榫加固组破坏现象Fig.9 Failure phenomenon for reinforcement group with inserting wooden tenon parallel to grain

2.5 植入单自攻螺钉加FRP 布包裹组合方式加固组

加载初期时木块出现噼啪响声且外部包裹的结构胶出现剥离现象。随着荷载增加，木块持续发出响声，裂缝从试件两侧出现向中部延伸。加载后期声响变大，当荷载达到一定值时，FRP布被拉断同时自攻螺钉被拉出，试件完全破坏。破坏现象如图10所示。

图10 植入单自攻螺钉加FRP布包裹组合方式加固组破坏现象Fig.10 Failure phenomena for reinforcement group with inserting single self-tapping screw and wrapping

3 试验结果与力学性能参数分析

3.1 试验结果

各试件组的荷载—位移曲线如图11 所示，曲线中的荷载由压力传感器测得，位移由钢夹具两侧的位移传感器测得。

分析试件的荷载—位移曲线可知：

（1）对照组与加固组试件的荷载—位移曲线均经历了线性阶段。加固组试件对比对照组试件在荷载作用下有明显的屈服阶段与破坏阶段，其刚度、承载力和延性都有明显提高。

（2）试件在线性阶段表现出良好的一致性；在破坏阶段具有一定的离散性，离散性来源于木材材料性能的随机性。

（3）a 组部分试件的破坏阶段中荷载出现急剧下降，表现出脆性破坏的特征；c 组、d 组、e 组、f组和g组试件表现出一定的延性；e组试件在木材破坏后FRP 布继续承载，曲线表现出一定的强化现象。

3.2 力学性能参数分析

峰值荷载PP对应试件荷载—位移曲线中最大承载力，其对应的位移ΔP为峰值位移。以80%PP对应位移为极限位移Δu，参考相关规范及文献［15-16］，以0.4PP作为屈服荷载Py，其对应的位移为屈服位移Δy，以0.4PP与0.1PP连线斜率作为弹性刚度（已消除初始滑移影响）。延性系数D定义为极限位移Δu与屈服位移Δy的比值。试件的主要力学性能参数如表4所示。

分析表4中主要力学性能参数可以得出：

（1）植入单自攻螺钉加固组（b 组）的刚度为6.23 kN/mm，相比于对照组（a 组）的刚度提高了33%。自攻螺钉在木材中具有内置拉紧作用，在一定程度上提高了试件的刚度，同时也可以抑制裂缝的开展。b 组试件的承载力为2.05 kN，相比于a组试件的承载力提高了17%，b组延性相对于a 组提高了50%。由上述数据可以看出，植入单自攻螺钉的加固方法对其刚度、承载力和延性都有提升，同时该加固方法操作简便，便于在实际结构中实施。

（2）植入双自攻螺钉加固组（c 组）的刚度为6.35 kN/mm，相比于a 组的刚度提高了35%。对比b 组试验，自攻螺钉数量的增加，刚度并未得到显著的提升。从观察到的破坏现象与破坏后的试件断面可知，这是由于植入的两个自攻螺钉距离较近，过度削弱了木材的纤维构造。因此，在木构件加固中自攻螺钉较密，反而会削弱构件的承载力。c 组试件的承载力为2.23 kN，相比于对照组（a 组）承载力提高了28%，其延性相对于a 组提高了526%。从试验现象可知，该试件破坏时裂缝从两侧出现向试件中心区域发展，裂缝延伸速度变缓甚至停止，经过一段时间突然断裂，这是由于裂缝发展到两个自攻螺钉处，自攻螺钉有效地抑制了裂缝的发展。

图11 试件荷载-位移曲线Fig.11 Load-displacement curve of specimens

（3）植入三自攻螺钉加固组（d 组）的刚度为6.43 kN/mm，相比于a 组的刚度提升了37%，与c组基本一致。d 组的承载力为3.38 kN，相比于a组承载力增加了94%，较c 组提高了52%。d 组试件延性为5.97，相对于a 组分别提升了320%，但d组的延性低于c 组。从破坏的试件分析发现，自攻螺钉数量增加虽然提高木构件的刚度和承载力，但仍应保证一定的间距，使其作用充分发挥。

（4）FRP 布包裹加固组（e 组）的承载力为2.36 kN，比a组试件承载力提高了36%，由于其外部碳纤维布对其包裹拉紧作用，增强其承载力。e组试件延性为3.78，相比于a 组提升了168%，该加固组的延性提高，这是因为FRP 布在构件外部形成包裹层，在木构件达到极限出现裂缝后，FRP布作为第二道防线继续承载。

（5）植入顺纹木榫加固组（f 组）刚度为5.09 kN/mm，其刚度比a 组试件提升了8%，顺纹木榫与自攻螺钉类似有一定的内置拉紧作用［17］，所以初期对试件刚度有所增强。f 组试件最大承载力为3.07 kN，其最大承载力比a 组试件提升76%。f组延性为3.68，相对于a 组提升了161%。木材顺纹方向的强度远大于横纹方向的强度，以顺纹木榫修复，加固木材横纹方向力学性能具有可行性。在“以木修木”“修旧如旧”等对加固修复材料有严格限制的工程中，该类方法具有一定的优势。

图12屈服点确定方法Fig.12 Method for comfirming yield point

表4 试件主要力学性能参数Table 4 Mechanical performance parameters

（6）植入单自攻螺钉加FRP 布包裹组合方式加固组（g 组）的刚度为3.44 kN/mm，是a 组的73%。g组最大承载力为2.79 kN，比a组试件最大承载力上升了60%，比FRP 布包裹试件最大承载力上升了18%，比垂直加入单个自攻螺钉试件最大承载力上升了36%，说明此加固方法可以有效改善试件的承载能力。g组延性系数为6.12，相对于a 组提升了334%。该组试件说明植入自攻螺钉与FRP 布包裹两种方法可以兼容，但加固效果并不是简单的线性叠加。