外贴CFRP板对胶合木柱轴压性能的影响

左宏亮 李昂 贾茗睿

摘 要：为解决胶合木柱在轴心受压状态下易出现脆性破坏的问题，同时提高胶合木柱承载力，设计并研究碳纤维增强复合板CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastics Board）板布置方式和配置率对胶合木柱轴心受压性能的影响。对15根胶合木方柱进行轴压性能试验，分析试件柱破坏形态、极限承载力、荷载-纵向位移曲线、延性系数和柱中荷载-应变曲线等。研究结果表明，外贴CFRP板增强法可提高试件极限承载力与刚度，增强柱承载力提高幅度为4.31%～18.77%，在CFRP板布置方式相同的情况下，平均极限承载力随着CFRP板配置率的增加而提高；在CFRP板配置率相同的情况下，承载力提高幅度分散布置略大于集中布置；增强柱延性系数提高幅度为11.23%～27.59%，延性系数随CFRP板配置率的增加而增大，集中布置提升效果优于分散布置。樟子松胶合木与CFRP板具有良好的协同作用，可以达到共同工作的效果。

关键词：胶合木柱；轴心受压性能；CFRP板；延性系数；增强

中图分类号：S772；TU366.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2023）03-0191-08

Abstract：To solve the problem of brittle damage of glulam columns under axial compression， and to improve the bearing capacity of glulam columns， the effect of Carbon Fiber Reinforced Plastics Board （CFRP） board layout and disposition ratio on the axial compression performance of glulam columns was designed and studied. The axial compression performance of 15 square glulam columns was tested， the failure form， ultimate bearing capacity， load-longitudinal displacement curve， ductility coefficient， load-strain curve and so on were analyzed. The results showed that the ultimate bearing capacity and stiffness of the specimens can be improved by the CFRP board strengthening method， and the bearing capacity of the strengthened columns can be increased by 4.31%-18.77% ， the average ultimate bearing capacity increased with the increase of the CFRP board configuration ratio. Under the same configuration rate of the CFRP boards， the increase of the bearing capacity was slightly larger in the distributed arrangement than in the centralized arrangement. The increase range of ductility coefficient was 11.23%-27.59% . The ductility coefficient increased with the increase of CFRP board ratio. The improvement effect of centralized arrangement was better than dispersed arrangement. The glulam column of Pinus sylvestris var. mongolica and the CFRP board had a good synergistic effect and can work together.

Keywords：Glulam column; axial compression property; CFRP board; ductility coefficient; reinforcement

基金項目：黑龙江省自然科学基金项目（LH2020E009）

第一作者简介：左宏亮，博士，教授。研究方向为现代木结构、工程结构鉴定和改造加固技术。E-mail： ZHL9163@163.com

0 引言

木结构具有可再生、无污染等诸多优点，国家也越来越关注与重视绿色建筑，对木结构的应用进行了大力支持。在国内政策大环境下，不论是环保建造要求，还是木材进口，都为我国木结构的使用、发展创造了有利的条件。胶合木是常用的工程木之一，具有良好的耐久性、可装配式施工和尺寸自由度大等优点[1-5]，但胶合木柱在轴心受压状态易发生脆性破坏。

纤维增强复合材料（FRP）自重轻、强度高。使用FRP材料增强木结构可以避免如用嵌缝加箍或化学灌浆等方法加固木结构时，对原有结构的破坏和化学腐蚀污染[6]可以有效加固并弥补木材因木节导致局部应力集中和易受腐蚀的缺陷[7]。近年来FRP因其强度高、耐腐蚀等优异性能逐渐为工程界所认可[8]，试验研究使用的纤维增强复合材料主要为碳纤维（CFRP）、玻璃纤维（GFRP）和玄武岩纤维（BFRP）等。CFRP具有高比强、高比模、耐疲劳和耐磨损等性能，应用范围广泛[9]。增强使用的纤维形式主要以纤维布、纤维板为主。外贴FRP法是建筑结构工程常用的增强技术，可以使纤维复合材料与建筑结构共同工作，提高结构构件承载力，从而达到对原结构加固和增强的目的。胶合木柱作为结构体系中主要的纵向受力构件，起着重要作用[10-11]。阿斯哈等[12]采用内嵌钢筋外包纤维布的复合加固方法，设计制作了27根方形截面木柱，通过对不同位置嵌入钢筋并粘贴碳纤维布增强的木柱进行轴压试验，建立了符合加固木柱轴心受压承载力计算模型，为复合结构增强木柱的研究奠定了基础。将内嵌筋材，外包FRP布同时应用于木柱加固[12]，可提升木柱工作性能。但由于钢筋的局部外凸作用，方形木柱的CFRP布易发生脆性断裂破坏，内嵌钢筋也削弱了木柱本身的强度。目前国内外关于木柱纵向增强加固的方法主要为嵌钢筋、嵌碳筋和嵌碳板等，现有的增强研究也多针对古建筑原木柱，有关胶合木柱的增强研究非常少[13-15]。外贴CFRP板法不仅能够提高承载力，还可以避免因嵌钢筋或碳板等对结构本身的削弱及嵌缝部位的应力集中而产生的不利影响。

本研究为解决胶合木柱在轴心受压状态下易出现脆性破坏的问题，采用外贴CFRP板增强胶合木柱以提高木柱的抗压性能及延性性能，并研究不同CFRP板布置方式及配置率对胶合木柱轴压性能的影响。

1 材料与方法

1.1 材料

本试验所用胶合木柱的基材为樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica），测得含水率约为13%，气干密度为0.43 g/cm3。材性试验尺寸依据《木结构试验方法标准》（GB/T 50329—2012）[16]确定。经过试验测定其顺纹方向的抗压强度为53.03 MPa、抗压弹性模量为17 634.99 MPa；增强胶合木柱所需要的增强材料是由东莞市协创复合材料有限公司生产的平纹哑光CFRP板，CFRP板的材性試验试件尺寸依据《纤维增强塑料拉伸性能试验方法》（GB/T 1447—2005）[17]确定。试验测得CFRP板抗拉强度为2 000 MPa，弹性模量为140 GPa；CFRP板使用的结构用胶采用卡本科技集团股份有限公司生产的CFRP-A/B碳板胶，使用时按照体积比A胶∶B胶=2∶1进行配比，抗拉强度为49.2 MPa，弹性模量为4 543 MPa。

1.2 试件设计

试件尺寸为150 mm×150 mm×700 mm，倒角半径为5 mm，共制作15根胶合木柱，每组3根，分为5组，组别编号分别为ZA、ZB-1、ZB-2、ZB-3与ZB-4，ZA组为普通胶合木柱试件；ZB组为外贴CFRP板增强胶合木柱试件。CFRP板配置率的计算方法为板的横截面面积与柱横截面面积之比。试件分组、CFRP板的配置率见表1。CFRP板布置方式如图1（a）所示。

1.3 试验装置与测点布置

加载装置为PWS-30000电液伺服压力试验机，将2个量程100 mm的位移计分别布置于试件两侧，用于测量试件在轴压状态下的整体位移，试验加载装置如图1（b）所示。胶合木柱和碳纤维板表面的应变值横向由粘贴栅长×栅宽=20 mm×3 mm的应变片进行量测，纵向由粘贴栅长×栅宽=50 mm×3 mm的应变片进行量测。CFRP板布置形式及应变片布置如图2所示。

为减少试验误差，在试验前进行预加载，预加荷载值F0取破坏荷载估计值的1/50，依据《木结构试验方法标准》（GB/T 50329—2012）[14]，正式加载采用连续均匀加载方式，以0.3 mm/min的加载速率直至试件破坏，当荷载下降至极限荷载的85%时，停止试验。

2 结果与分析

2.1 主要试验现象

未采取增强措施的胶合木柱试件，接近极限荷载时出现连续声响，柱体表面出现局部压溃与裂缝，并迅速达到极限荷载。普通胶合木柱破坏形态可分为2种：木材局部压溃破坏和沿木节破坏，如图3所示。

增强柱在加载前期木材出现连续响动，随着施加荷载的增大，逐渐有轻微的间断清脆响声，临近极限荷载时，出现柱中截面被局部压溃、明显的斜裂缝等试验现象，随后试件发生破坏。在增强组中各选出一根破坏现象明显的试验柱，增强后的试件破坏形态可分为4种模式，依次为沿顺纹45°斜向破坏、端头压屈破坏、木材局部压溃破坏和木材劈裂破坏。对应的试验柱分别为ZB-（3）（外贴8片25 mm宽2 mm厚的CFRP板）、ZB-（1）（外贴4片50 mm宽2 mm厚的CFRP板）、ZB-（4）（外贴8片25 mm宽4 mm厚的CFRP板）、ZB-（2）（外贴4片50 mm宽4 mm厚的CFRP板）。增强柱的破坏形态如图4所示。

2.2 荷载-位移曲线

对ZA和ZB组木柱的试验结果进行分析，以位移值为水平轴，以荷载大小为纵向轴，绘制得到荷载-位移曲线，如图5所示。各试件的延性系数通过计算得到，取极限荷载的85%作为屈服荷载，对应位移为屈服位移；取卸载到极限荷载的85%作为破坏荷载，对应位移为破坏位移。力学性能参数见表2。

经过增强的试件在弹性阶段的斜率均大于普通胶合木柱，即外贴CFRP板在不同程度上可有效提高胶合木柱的刚度。当达到极限荷载后，曲线进入下降趋势，普通胶合木柱下降段较短且下降突然，破坏形式为脆性破坏；而增强柱下降段较长且较为平缓，说明经过CFRP板增强的试件提高了抗变形能力。

2.2.1 极限承载力

与未采取增强措施的普通胶合木柱相比，集中布置2 mm厚和4 mm厚CFRP增强组、分散布置2 mm厚和4 mm厚CFRP板增强组，以上共4组增强试件柱，其平均极限承载力以不同程度呈增加趋势，提高幅度为4.31%～18.77%。布置CFRP板增强的试件组ZB-1、ZB-2、ZB-3、ZB-4平均极限承载力分别提高了4.31%、18.42%、4.61%、18.77%；在CFRP板布置方式相同的情况下，根据试验结果可知，布置4 mm厚的CFRP板比2 mm厚的承载力有显著提高，集中布置和分散布置分别提高了14.11%和14.15%；但在CFRP板配置率相同的情况下，布置方式对CFRP板增强的试件承载力提升效果不显著。

通过对比数据可知，在CFRP板布置方式相同的情况下，平均极限承载力随着CFRP板厚度的增加而提高；在CFRP板配置率相同的情况下，分散布置CFRP板对承载力的提高幅度略大于集中布置。

2.2.2 延性

与普通胶合木柱相比，增强试件柱组的平均延性系数均有明显提高，提高幅度为11.23%～27.59%。布置CFRP板增强的试件组ZB-1、ZB-2、ZB-3、ZB-4的延性系数分别提高了12.90%、16.47%、11.24%、12.92%。在外贴CFRP板布置方式相同的前提下，粘贴4 mm厚的CFRP板比2 mm厚的试件平均延性系数有所提高。集中布置组提高了3.57%，分散布置组提高了1.67%；在外贴CFRP板的配置率相同的前提下，外贴2 mm厚CFRP板组提高了1.66%，外贴4 mm厚CFRP板组提高了3.55%。

2.3 柱中荷载-应变曲线

每个试验组中选取1根具有典型破坏形态的试验柱，对柱中横向应变及纵向应变数据进行分析并绘制出柱中荷载-应变关系曲线，如图6所示。

试验木柱在轴向受压过程中，纵向受压，横向受拉，图6中坐标轴左半部分为受压区，应变值为负；右半部分为受拉区，应变值为正。由图6可知，木柱的荷载应变曲线可大致分为弹性阶段和弹塑性阶段。弹性阶段应变变化幅度小而荷载增加较快，斜率呈线性趋势。此后斜率变缓，进入弹塑性阶段。

普通胶合木柱的荷载-应变曲线弹性阶段基本呈线性趋势，弹塑性阶段表现不明显；经过增强后的胶合木柱荷载-应变曲线可以观察到试验初期曲线呈线性趋势，而后曲线斜率逐渐降低，弹塑性阶段非常明显，塑性变形明显。

圖7是将普通胶合木柱与布置方式相同但CFRP板厚度不同的胶合木柱进行对比，未增强胶合木柱的荷载-应变曲线弹塑性阶段不明显；经过不同CFRP板配置率增强的胶合木柱，均表现出明显的弹塑性阶段，且随着CFRP板配置率的增加，弹塑性阶段越明显。同时，相比于未增强胶合木柱的荷载-应变曲线，经过增强的试件极限荷载显著增加，横向极限应变显著减小，说明外贴CFRP板的增强方式提高了胶合木柱的极限荷载，并且有效地抑制了胶合木柱的横向变形。荷载-应变曲线位于弹性阶段时，在同一级荷载的作用下，经增强的胶合木柱纵向应变明显减小，但经不同CFRP板配置率增强的试件曲线趋势相近，说明CFRP板配置率对纵向应变减小幅度影响不显著。

图8是将普通胶合木柱与CFRP板配置率相同但布置方式不同的胶合木柱进行对比，不同布置方式的外贴CFRP板增强方式对胶合木柱的纵向变形起到了一定的支撑作用。在荷载-应变曲线弹性阶段，外贴相同厚度CFRP板的前提下施加至同一级荷载，集中布置CFRP板的纵向木材应变小于分散布置CFRP板的纵向木材应变。在荷载施加至800 kN时，外贴2 mm厚CFRP板组中ZB-1应变为-2 268×10-6、ZB-3应变为-2 608×10-6；外贴4 mm厚CFRP板组中ZB-2组应变为-2 646×10-6、ZB-4应变为-2 711×10-6；通过观察集中布置与分散布置CFRP板增强胶合木柱试件的纵向木材荷载-应变曲线，可以发现集中外贴CFRP板的胶合木柱试件的弹塑性阶段更明显。

2.4 木材与CFRP板协调作用

木材与CFRP板的共同作用效果是影响增强组试件承载力、抗压刚度及延性提高幅度的重要因素之一，图9为增强组试件中木材与CFRP板的荷载-纵向应变曲线。

由图9可知，加载初期由于木材并未产生纵向变形，所以木材与CFRP的荷载-纵向应变曲线趋势相近；随着荷载的增加，木材因受压导致部分木纤维挤压产生纵向变形，木材纵向应变逐渐小于CFRP板纵向应变。当试件柱的荷载-纵向应变曲线进入到弹塑性阶段时，木材与CFRP板的曲线变化趋势基本一致，直至试件到达极限荷载。分析表明，木材表面纵向应变与CFRP板的纵向应变分布曲线相近，二者可以协调变形、共同工作。

3 结论

1）CFRP板增强胶合木柱在轴心受压状态下存在4种破坏形态分别为：木材局部压溃、端头压屈破坏、木材劈裂破坏、沿顺纹45°斜向破坏。经过增强的试件柱有效地抑制了脆性破坏的发生。

2）外贴CFRP板增强胶合木柱可提高极限承载力与刚度。在CFRP板布置方式相同的情况下，平均极限承载力随着CFRP板配置率的增加而提高；在CFRP板配置率相同的情况下，分散布置CFRP板对承载力的提高幅度略大于集中布置。

3）与普通胶合木柱相比，外贴CFRP板可以有效地提高胶合木柱的延性系数，抑制试件的变形。增强件的延性系数随着CFRP板配置率的增加而增大，集中布置CFRP板对延性系数的提升效果优于分散布置。

4）经增强的试件极限应变均显著减小，有效地抑制了胶合木柱的变形。CFRP板配置率在一定程度上影响了抑制效果；集中布置CFRP板抑制试件变形的效果优于分散布置。木材表面纵向应变与CFRP板的纵向应变分布曲线相近，二者可形成有效的协同作用、共同工作。

【参 考 文 献】

[1]高荣璋.胶合木建筑在我国的设计实践探析[D].泉州：华侨大学，2015.

GAO R Z. Analysis on the design practice of glued wood buildings in China[D]. Quanzhou： Huaqiao University， 2015.

[2]李登华，杨学兵，王永维.胶合木结构特点评述[J].四川建筑科学研究，2010，36（5）：62-66.

LI D H， YANG X B， WANG Y W. Comment on the characteristics of glued wood structure[J]. Sichuan Building Science， 2010， 36（5）： 62-66.

[3]唐超，宁凡，刘佳桐.胶合木桁梁桥结构设计与计算[J].公路工程，2021，46（3）：62-67.

TANG C， NING F， LIU J T. Structural design and calculation of glulam truss bridge[J]. Highway Engineering， 2021， 46（3）： 62-67.

[4]刘利清.胶合木结构住宅发展现状[J].中国建材科技，2008，17（1）：63-66.

LIU L Q. Development of the glued-laminated timber structure housing[J]. China Building Materials Science & Technology， 2008， 17（1）： 63-66.

[5]GILAHM P C. An overview of fire protection design for exposed wood structures[J]. World Buildings， 2002， 9： 76-77.

[6]FRANGI A， FONTANA M. Charring rates and temperature profiles of wood sections[J]. Fire and Materials， 2003， 27（2）： 91-102.

[7]沙洲，朱晓冬.FRP材料增强木结构研究综述[J].森林工程，2012，28（3）：57-61.

SHA Z， ZHU X D. Literature review of the research on wood structure strengthened by FRP[J]. Forest Engineering， 2012， 28（3）： 57-61.

[8]益小苏，杜善义，张立同.中国材料工程大典-第10卷-复合材料工程[M].北京：化学工业出版社，2006.

YI X S， DU S Y， ZHANG L T. China materials engineering canon[M]. 10th ed. Beijing： Chemical Industry Press， 2006.

[9]胡波，王建国.FRP约束混凝土柱的研究现状与展望[J].建筑科学与工程学报，2009，26（3）：96-104.

HU B， WANG J G. Research status and prospects of FRP-confined concrete columns[J]. Journal of Architecture and Civil Engineering， 2009， 26（3）： 96-104.

[10]李宏斌，王江涛.CFRP在结构加固中的应用与研究[J].科技资讯，2009，7（14）：122.

LI H B， WANG J T. Application and research of CFRP in structural reinforcement[J]. Science & Technology Information， 2009， 7（14）： 122.

[11]左宏亮，贾茗睿，梅力丹.粘贴TiO2接枝改性亚麻纤维对胶合木柱轴压性能的影响[J].东北林业大学学报，2021，49（10）：130-136.

ZUO H L， JIA M R， MEI L D. Effect of TiO2 of axial compression performance of graft modified flax fiber reinforced glulam column[J]. Journal of Northeast Forestry University， 2021， 49（10）： 130-136.

[12]阿斯哈，周长东，杨礼赣.复合加固木柱轴压特性试验研究[J].土木工程学报，2021，54（2）：1-9.

A S H， ZHOU C D， YANG L G. Experimental investigation on axial compression behavior of timber columns strengthened with composite reinforcement method[J]. China Civil Engineering Journal， 2021， 54（2）： 1-9.

[13]ZHANG W P， SONG X B， GU X L， et al. Compressive behavior of longitudinally cracked timber columns retrofitted using FRP sheets[J]. Journal of Structural Engineering， 2012， 138（1）： 90-98.

[14]朱雷，许清风.CFRP加固木柱性能的试验研究[J].工业建筑，2008，38（12）：113-116.

ZHU L， XU Q F. Experimental research on behavior of CFRP-reinforced timber columns[J]. Industrial Construction， 2008， 38（12）： 113-116.

[15]淳庆，张洋，潘建伍.内嵌碳纤维板加固圆木柱轴心抗压性能试验研究[J].工业建筑，2013，43（7）：91-95.

CHUN Q， ZHANG Y， PAN J W. Experimental study on mechanical properties of circular timber columns strengthened with near-surface mounted CFRP sheets under axial compression[J]. Industrial Construction， 2013， 43（7）： 91-95.

[16]LU W D， WANG L， WU J J， et al. Behavior of glulam columns reinforced by near-surface-mounted CFRP laminates under eccentric compression loading[J]. Journal of Structural Engineering， 2016， 142（11）： 1-13.

[17]中華人民共和国住房和城乡建设部.木结构试验方法标准：GB/T50329—2012[S].北京：建筑工业出版社，2012.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China. Standard for methods testing of timber structures： GB/T 50329-2012[S]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2012.

[18]国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会.纤维增强塑料拉伸性能试验方法：GB/T 1447—2005[S].北京：中国标准出版社，2005.

General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People's Republic of China， Standardization Administration of the People's Republic of China. Fiber-reinforced plastics composites-determination of tensile properties： GB/T 1447-2005[S]. Beijing： Standards Press of China， 2005.