改性亚麻纤维增强胶合木梁受弯性能试验1)

左宏亮 王照稳 李熠诗

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

木结构建筑能够给人们提供安全、健康的生活空间，是优质的人居生态产品[1]。亚麻纤维与木材同属于生物质材料，应用于土木工程领域能够极大程度地减少碳排放，缓解全球的温室效应。胶合木是现代木结构建筑中常用的工程木，多用于重型木结构。胶合木能够实现高精度装配，促进装配式建筑的发展；提高木材的利用率、达到劣材优用的目的，从而缓解我国木材资源紧缺的状态[2-5]。但普通胶合木梁，受弯时容易在梁底木节等缺陷处发生脆性破坏，并伴随较大的木材劈裂，不仅破坏突然且有一定的危险性，材料也难以充分发挥强度[6-7]。因此，需要一定措施改变胶合木梁的破坏形态，增强其抗弯性能。常见的增强方式分为配筋、粘贴纤维复合材、粘贴钢板等[8]。本研究采用粘贴经过纳米TiO2接枝改性后的亚麻纤维复合材方式增强胶合木梁，构建一种新型环保胶合木构件；通过受弯试验分析在不同增强方式下梁的破坏形态、极限荷载、荷载-挠度曲线、截面应变等性能，然后给出合理的粘贴增强方式建议。

1 材料与方法

胶合木梁采用云杉-松树-冷杉板材(SPF木板)制作；试件分为8组(见表1)，每组3根，尺寸均为2 850 mm×50 mm×150 mm(长×宽×高)；跨度取2 700 mm，两端外伸75 mm；层板厚度均为25 mm，由6层板胶合而成；木材顺纹方向，即胶合木梁的长度方向；有箍胶合木梁的U型箍宽度为100 mm、净距为100 mm、层数为6层，沿全跨粘贴。其中：LA0组，是没有增强的普通胶合木梁；LA、LB组，均不设置U型箍；LA1、LA2组，分别为底部粘贴3层、6层改性亚麻纤维复合材料(FFRP)的胶合木梁；LB0、LB1、LB2组，底部FFRP长度分别为1 500、1 400、1 300 mm；LC1、LC2组，分别在底部粘贴3层、6层FFRP的基础上增设U型箍。采用LA0、LA2、LB0、LB1、LB2组，分析FFRP长度对梁受弯性能的影响(界面粘贴性能)；采用LA0、LA1、LA2组，分析无箍胶合木梁底部粘贴FFRP层数对梁受弯性能的影响；采用LA1组与LC1组对比、LA2组与LC2组对比，分析U型箍对底部粘贴FFRP的胶合木梁的增强效果。

各组试件构造见图1～图3。

表1 试验分组及试件参数

图1 LA组试件构造(图中数据单位为mm)

图2 LB组试件构造(图中数据单位为mm)

图3 LC组试件构造(图中数据单位为mm)

数据采集使用DH3816N静态应变测试系统。粘贴胶合木上的应变片规格为100 mm×3 mm，位移计分别设置在胶合木试验梁的支座、三分点、跨中(见图4)。

试验采用三分点对称加载的方式进行加载(见图5)，首先预估普通胶合木梁的极限荷载，采用逐级加载的方式进行加载，直至试件破坏；利用千斤顶对试件施加竖向荷载。

2 结果与分析

2.1 胶合木梁的破坏形态与极限荷载

胶合木梁的破坏形态，主要为底层板脆性受拉破坏、底层板延性受拉破坏2种。①底层板脆性受拉破坏：普通胶合木梁、只在底部粘贴FFRP的胶合木梁，主要表现为脆性受拉破坏(见图6)。这种破坏形态，在加载过程中没有明显的裂缝与声响，主要在梁底层板木节处发生断裂，破坏比较突然。②底层板延性受拉破坏：底部粘贴FFRP的有箍胶合木梁，主要表现为延性受拉破坏(见图7)。破坏前，通常在底部受拉区三分点或跨中梁侧出现横向裂缝，并贯穿至梁底，梁底FFRP断裂，试验梁产生较大挠度，但试验梁仍未破坏。通常在纯弯段的U型箍旁或梁底的受拉区缺陷处发生受拉破坏，破坏征兆十分明显，为延性受拉破坏。

图4 各组试件应变片布置(图中数据单位为mm)

图5 试验加载方式(图中数据单位为mm)

图6 胶合木梁的底层板脆性受拉破坏

图7 胶合木梁的底层板延性受拉破坏

由表2可见：当FFRP长度不小于1 400 mm时，梁的承载力与FFRP长度关系不大；但当FFRP长度小于1 400 mm时，梁的承载力所受影响较为明显。对于无箍胶合木梁，底部粘贴FFRP后，梁的承载力提高36.49%～43.24%；但FFRP的粘贴层数不宜过多，粘贴层数过多反而会导致提高幅度有所下降；这是由于当粘贴层数较多时，FFRP形成的片材厚度较大，由于未设置U型箍，所以底部FFRP不易与梁协调，影响构件的整体性。当底部粘贴3层FFRP时，有箍和无箍胶合木梁的抗弯承载力相差不大，但有箍梁的延性得到明显提高。增设U型箍后，底部粘贴3层、6层FFRP的胶合木梁，抗弯承载力比普通胶合木梁分别提高了44.59%、56.76%，破坏形态由脆性破坏改变为延性破坏。U型箍对底部粘贴6层FFRP的胶合木梁增强效果更加明显。这是由于底部粘贴3层的层数较少，胶合木梁底部的缺陷对承载力产生的不利影响比较明显；而底部粘贴6层FFRP并设置U型箍时，U型箍使梁底木材与FFRP在加载过程中协调性能较好，6层FFRP充分发挥了强度，提高了整体性；又因为层数较多，削弱了木节对梁的不利影响，承载力得到明显提高；因此U型箍对底部粘贴6层FFRP的胶合木梁增强效果更加明显。

表2 胶合木梁的极限荷载

2.2 胶合木梁的荷载-挠度曲线

以跨中挠度作为横轴，以荷载作为纵轴，选择各组典型试验梁，绘制荷载-挠度曲线(见图8～图10)。由图8～图10可见：胶合木梁底部粘贴FFRP后，抗弯刚度明显提高，根据数据拟合方程，LA1组梁、LA2组梁的抗弯刚度，比LA0组梁的抗弯刚度分别提升了36.07%、21.87%，但FFRP的长度对胶合木梁的抗弯刚度影响不大。增设U型箍后，底部粘贴3层FFRP的胶合木梁刚度变化不明显，而底部粘贴6层FFRP的胶合木梁刚度提高较大。

图8 粘贴不同长度FFRP时胶合木梁的荷载-挠度曲线

图9 粘贴不同层数FFRP时胶合木梁的荷载-挠度曲线

图10 增设U型箍时胶合木梁的荷载-挠度曲线

2.3 胶合木梁的荷载-应变曲线

为了更具体且直观地反映在加载过程中试验梁的受力变形情况，绘制了胶合木梁的荷载-应变曲线；规定荷载为零时相应的应变为零，梁受拉区应变为正值，受压区应变为负值。

2.3.1粘贴不同长度FFRP胶合木梁的荷载-应变曲线

以测得的木材和FFRP的应变作为横轴，以荷载为纵轴绘出粘贴不同长度FFRP时胶合木梁的荷载-应变曲线(见图11)。由图11可见：在LB0、LB1组梁荷载-应变曲线中，底层板与FFRP的应变发展趋向基本一致，说明木材与FFRP有较好的协调性能。但LB2组在荷载为20 kN时，底板木材应变出现突变，而底板FFRP仍呈线性递增。根据试验现象，LB2组梁，此时一侧三分点处出现木材开裂的轻响，并伴有持续的木材与FFRP间胶层断裂的声音。说明此时胶合木梁底层板出现裂缝，但FFRP并未断裂，木材在裂缝处与FFRP间出现滑动而剥离。因此判断，当底部FFRP的粘贴长度小于1 400 mm时，胶合木梁由于在加载过程中梁底出现裂缝，使木纤维与FFRP间失去可靠粘结，发生剥离破坏，从而削弱了承载力与刚度的增强效果。

图11 粘贴不同长度FFRP胶合木梁的荷载-应变曲线

2.3.2粘贴不同层数FFRP胶合木梁的荷载-应变曲线

由图12可见：LA1、LA2组破坏时，顶层板木材压应变分别为3.872×10-3、3.124×10-3，最大压应变明显大于LA0组的1.927×10-3，说明底部粘贴FFRP使试验梁顶部受压区强度发挥的更加充分。当荷载相同时，LA2组的拉应变小于LA1组，且都小于LA0组，说明FFRP减小了木材受拉区的应变。

图12 LA组荷载-应变曲线

2.3.3 增设U型箍对胶合木梁荷载-应变曲线的影响

取LA组梁与LC组梁的顶层板与底层板木材的应变作为横轴分别进行比较(见图13)。由图13可见：在底部只粘贴FFRP时，试验梁的受压区、受拉区均只有弹性变形，U型箍的增加使梁的受压区出现塑性变形。LC1组与LC2组受压区最大压应变，明显大于LA1组与LA2组的值。可见，胶合木梁设置U型箍后，受压区强度发挥的更加充分，破坏征兆更加明显；U型箍的设置，也使梁底木材更加充分地发挥了强度。

图13 增设U型箍前后荷载-应变对比曲线

3 结论

对于底部粘贴6层FFRP的胶合木梁，当FFRP的长度不小于1 400 mm时，改变胶合木梁底部FFRP的粘贴长度，梁的抗弯承载力与刚度变化不大。当FFRP长度小于1 400 mm时，梁的增强效果不够明显。因此，在不发生剥离破坏的前提下，FFRP的长度对无箍胶合木梁影响不大。

底部粘贴FFRP对胶合木梁受弯性能具有增强效果。对无箍胶合木梁，底部粘贴FFRP能够提高胶合木梁的抗弯承载力与刚度，但底部粘贴的层数不宜过多，粘贴层数过多反而会导致提高幅度有所下降；对有箍胶合木梁，其抗弯承载力与抗弯刚度，随着底部粘贴FFRP层数的增加均有所增大。

当底部粘贴3层FFRP时，有箍和无箍胶合木梁的抗弯承载力与抗弯刚度相差不大，但有箍梁的延性得到明显提高；当底部粘贴6层FFRP时，有箍梁的抗弯承载力和抗弯刚度比无箍梁均有明显提高。

U型箍可以改变胶合木梁的破坏形态，无箍胶合木梁的破坏形态同普通梁一样为脆性破坏，而有箍梁的破坏形态为延性破坏；U型箍能够避免木材层板间开裂与横向撕裂，增强FFRP与梁底部木材的协调性能，从而提高胶合木梁的抗弯性能。