纤维布加固墩接木柱轴压试验

徐 杰,姜绍飞

(福州大学 土木工程学院,福州 350108)

在木构架承重体系中,木柱作为木结构建筑的重要传力构件,支撑着上部结构,承担着由上部梁架传递下来的荷载,是一个结构能否提供生活空间的关键。由于直接与外界环境接触,长期服役过程中易在柱根出现腐朽、开裂和虫蛀等问题。随着损伤程度的加重,残损木构件的力学性能退化,严重影响整体结构的安全性与稳定性[1-2]。因此,探究适合柱根残损木柱的加固方法对现存传统木结构建筑的保护利用与传承具有重要意义。

近年来,木柱加固的研究方向逐渐由传统加固方法[2-3]向新材料[4-5]、新技术[6-7]层面拓展。纤维增强复合材料(FRP)是一种轻质高强、耐腐蚀性和耐久性好的加固材料,目前已广泛应用于混凝土结构加固工程,并逐渐在木结构加固工程[8]中崭露头角,有望成为传统铁质加固件的替代品。许清风等[9-10]对局部受损木柱采用顺纹木块替换并用CFRP布包裹进行加固,取得了良好的加固效果。周乾等[11]开展了CFRP布包镶加固柱根糟朽木柱的轴压试验研究,加固后木柱承载力可恢复81.4%。阿斯哈[12]和周长东等[13-14]探究了内嵌钢筋外包CFRP布复合加固木柱的力学性能,发现CFRP布与内嵌钢筋相互促进、协同工作,能有效提高木柱的承载能力。朱艳梅等[15-16]对环向粘贴的AFRP、BFRP和CFRP布加固后的圆木柱力学性能进行了研究,结果表明,加固柱承载力、刚度、延性均能得到提高。可见FRP布用于木柱加固能取得较好的加固效果,但以上研究局限于木柱整体加固和局部小修等方面,难以适用于实际工程中高位糟朽木柱的修复。

为尽可能保留原有建筑风貌,实现“修旧如旧,极大程度保留原有现状”的加固理念,常用墩接加固对木柱进行修缮。周乾等[17-18]研究了铁箍、钢套加固后的巴掌榫墩接柱的轴压性能,由于接触部位应力集中严重,试件破坏时表现出明显的脆性特征。杨健[19]采用铁箍对刻半榫、抄手榫、燕尾榫墩接方式加固的中长木柱进行了竖向静载试验,相同墩接高度下,抄手榫加固效果优于刻半榫优于燕尾榫。许清风[20]对比研究了钢箍和CFRP布加固巴掌榫和抄手榫墩接短柱的轴压性能,发现抄手榫维修效果好于巴掌榫,CFRP布加固效果优于钢箍,但这仅针对长细比较小的短柱,与工程中中长柱的受力状态存在差异。周乾等[21-22]开展了FRP加固巴掌榫墩接柱的轴压加载试验,加固后木柱承载力基本可得到恢复。

综上,铁件加固整体性差,易造成接触部位应力集中,加速木柱破坏,而采用FRP布加固不易出现应力集中、便于后期涂装修饰且不存在锈蚀等问题,为木柱加固带来了新的机遇。但是,目前中长墩接柱加固效果受墩接方式和纤维布种类的影响还不明确,高位糟朽木柱采用墩接加固时,墩接方式和纤维布种类的选型还需进行探索。基于此,从4种不同墩接方式和3种不同FRP布入手,开展了10根FRP墩接加固木柱的轴压试验,研究了墩接木柱加固前后的承载力、刚度、延性等力学性能,分析并总结了不同加固柱的工作特性和破坏机制。以期为中国传统木结构建筑的保护与修缮提供参考依据和技术支撑。

1 试 验

1.1 试件设计与制作

参考闽南民居建造木柱常用长径比10∶1[23]确定试件尺寸,试验柱柱长与截面直径分别为1.8、0.18 m。加固柱采用的墩接方式有巴掌榫、刻半榫(带榫头的巴掌榫)、抄手榫、直榫,见图1。墩接长度和墩接高度分别为300、750 mm[24-25],墩接长度(ld)是指木柱沿顺纹拼接部分的长度,墩接高度(hd)是上端柱段截断位置至柱底的长度,详见图1。其中,hd大于规范[24]墩接加固的约定范围1/4柱高(450 mm),墩接工艺参考文献[17,24]。传统墩接柱采用直接拼接的方式进行加固,FRP加固柱需在拼接面上均匀涂抹环氧树脂进行粘接,待环氧树脂固化后,在墩接区通过纵横双向全包粘贴FRP布的方式进行加固,其中,环向粘贴层数为2,纵向粘贴层数为1[25]。环向粘贴的FRP布(环箍)均保证120 mm的搭接长度,纵向粘贴的FRP布(纵带)与杉木之间也需有足够的粘贴长度(le),le等参数和试件分组详见表1。

表1 试件设计参数Tab.1 Specimen design parameters

图1 墩接柱示意Fig.1 Spliced column diagram

1.2 材料力学性能

试验木材为福建杉木,其材性参数的测定试件均取样于试件制作预留的无初始缺陷部位,材性和塑性参数见表2和3。3种FRP布材性通过实测确定,具体材性参数见表4。粘接木材间的环氧树脂采用流动性较差的E44型环氧树脂AB胶,可操作时间为2 h,剪切强度可达12 MPa。FRP布浸渍树脂参考厂家提供的检测报告,其抗拉强度为60.1 MPa,拉伸弹性模量为2 913 MPa,抗压强度为96.7 MPa。

表2 福杉材性参数Tab.2 Material properties of Fujian Fir

表3 福杉塑性参数Tab.3 Fujian Fir plasticity parameters MPa

表4 FRP布的材性参数Tab.4 Material properties of FRP sheets

1.3 试验装置及数据量测方案

1.3.1 试验加载方案

试验在5 000 kN电液伺服压力试验机上完成,试件两端均平摆浮搁于试验机压板和钢板上,见图2。试验采用位移连续加载,加载速率为0.8 mm/min。为减少正式加载过程中的试验误差,加载前进行几何轴线对中和预压。预压过程中观察木柱四周应变值是否接近,若数值相差较大则需对试件位置进行调整,预压次数控制在5以内。正式加载后,以荷载下降至极限荷载的70%或出现不适合继续加载的现象为标准来判断试验是否停止。

图2 试验装置示意Fig.2 Schematic diagram of test device

1.3.2 试验量测方案

试验量测内容包括竖向位移、柱中侧移、竖向荷载以及墩接区应变等。在压力机上下端板布置位移计测量构件竖向位移,在1/2柱高位置布置一对相互垂直的位移计测量柱中水平侧移。柱中位置用502胶水粘贴尺寸为30 mm×50 mm的亚克力板,以防止位移计脱出亚克力板。在柱中沿四周对称粘贴纵向应变片,在FRP布上对称粘贴相互垂直的应变片,具体应变测点布置如图3所示。为更准确地获取试验加载过程中的竖向荷载,在柱底放置100 t力传感器测量。

图3 应变片布设Fig.3 Strain gauge layout

2 试验结果分析

2.1 试验现象与破坏形态

2.1.1 完好柱和传统墩接柱

完好柱整体性好,接近峰值荷载时于1/3柱高位置发生沿年轮方向的环向压裂,其他部位无明显破坏。I组试件失效均是由于拼接缝被撑开,形成往两端延伸的受力裂缝,截面抗弯刚度削弱,木材发生压屈和折断。对比3种墩接方式加固柱的破坏特征(图4)可以看出,抄手榫榫头中心对称(C01试件),整体性好,破坏出现在下墩接口,表现为木材压屈,柱身未严重弯曲。K01试件墩接区整体性较差,偏压状态下,榫头反而加剧了墩接区破坏,导致墩接区被撑开,承载力削弱。Z01试件整体性最差,仅达到极限承载力的50%左右卯口就严重开裂,卯口裂缝往两端贯通,无法继续承担更大的荷载。事实上,纤维布加固后,卯口同样出现了开裂(如图5),故在墩接高度较大时,应尽量避免用直榫墩接。

图4 传统墩接柱Fig.4 Traditional spliced wooden columns

图5 荷载-侧移曲线Fig.5 Load-deflection curve

2.1.2 BFRP加固传统墩接柱

由图6可知,Ⅱ组试件破坏都出现在墩接口处,其他区域基本完好,破坏原因是受压侧墩接口木材压屈导致纤维布褶皱和断裂,进而加剧了木柱偏压破坏发生,柱身弯曲并伴随明显失稳特征。不同墩接方式加固柱的区别在于墩接口木材出现压溃破坏的时间次序不同,FZ1

图6 BFRP加固传统墩接柱Fig.6 BFRP reinforced conventional spliced columns

与传统墩接柱相比,FRP布加固后,墩接柱整体性提高,破坏形态得到明显改善。FRP纵带和环箍的相互促进作用还能提高墩接柱的工作性能。

2.1.3 不同FRP加固巴掌榫墩接柱

如图7所示,试件A21和C21的最终破坏位置均转移至墩接区域以外且纤维布皱褶主要出现在下墩接口受压侧。其中,A21破坏出现在靠近柱脚的受压侧,C21破坏出现在半柱身往上的木材质地突变部位。试件B21破坏发生在墩接口受压侧,纤维布褶皱主要出现于上墩接口受压侧。对比其最终失效时的柱身形态可知,B21试件在上墩接口位置弯曲十分明显,柱身呈“弓形”。C21试件弯曲集中在柱身上端,但在荷载上升阶段,下墩接口木纤维逐渐压屈,柱身呈“S”形态。A21试件破坏发生在靠近柱脚处,但在峰值荷载前未出现其他损伤,柱身并未明显呈现弯曲形态。

图7 不同FRP墩接加固柱破坏形态Fig.7 Splice columns reinforced with different FRP sheets

如图5所示,FRP加固试件中,除直榫墩接柱外,其他试件在达到峰值荷载前柱中侧移很小,柱身挠曲不明显,但超过峰值荷载后挠曲变形迅速增加,呈现明显的弯曲失稳特征。FRP环箍纵带弹性模量大的试件,侧向挠曲更小,墩接区弯曲不明显。传统墩接柱由于木材开裂外张,柱中测点受到影响,测量数据不能作为参考,予以舍去。

2.2 承载力分析

各试件荷载-位移曲线见图8,为便于对比不同试验参数下试件极限承载力的差异,考虑了制作误差造成的截面面积差异的影响,分类对比见图9。未采用FRP布加固的传统墩接试件K01、C01、Z01,极限抗压强度分别恢复至完好柱的48%、69%、42%,采用BFRP布加固的试件FK1、FC1、FZ1,抗压强度分别恢复至完好柱的80%、99%、75%。即采用不同墩接方式加固柱具有以下特征:无论是否采用纤维布加固,抄手榫墩接方式对轴压承载力的恢复最为有利,其次是刻半榫墩接方式,这是因为抄手榫中心对称,偏心受压状态下柱身整体性较好;经过BFRP加固后的传统墩接柱极限承载力相对未加固墩接柱有较大提升(44%～78%),这是由于FRP布提供了环向约束,墩接区木材处于三向受压状态且整体性更好,承载性能提升明显;经过BFRP布加固的抄手榫墩接柱FC1可恢复至完整柱承载力水平。

图8 荷载-位移曲线Fig.8 Load displacement curve

图9 抗压强度对比Fig.9 Compressive strength comparison

当采用相同层数FRP布加固且均采用无榫头巴掌榫墩接时,AFRP、BFRP、CFRP布加固的试件抗压强度可分别恢复至完好柱的97%、87%、100%。这是因为纤维布提供的纵向和环向约束为被动约束,纤维布弹性模量越大,变形越小,墩接区木材受力更均匀,变形更协调,强度恢复率更高。

2.3 延性分析

由图8荷载-位移曲线可知,试件上升段和下降段均为近似的斜直线,墩接柱下降段相对完好柱较为平缓,说明墩接柱变形能力比完好柱要好。为便于定量评价试件的变形能力,采用位移延性系数(u=Δu/Δy)表征各试件延性,试件各特征位移及延性系数见表5。可以看出,除Z01试件外(未获取到试验曲线下降段),其他墩接柱延性均相对完好柱有明显提升,可见该类柱构件的变形能力优于完好柱。其中,传统墩接柱K01和C01延性较完整柱延性均提高了21%,BFRP加固的传统墩接柱FK1、FC1、FZ1延性分别提高了73%、43%、24%,虽然未能获取到试件Z01试验曲线的下降段,但从BFRP加固的传统墩接柱变形能力可推断,试件Z01延性必定小于试件K01和C01。传统墩接柱粘贴BFRP布加固后,不仅承载力和刚度能得到提升,变形能力也能得到大幅度提高。对于不同纤维布加固的巴掌榫墩接柱A21、B21、C21,较完好柱延性分别提高了58%、96%、47%,BFRP加固柱的变形能力明显比AFRP和CFRP加固柱好。

表5 关键力学性能指标分析Tab.5 Analysis of key mechanical property indicators

2.4 刚度分析

考虑到在加载前期存在一段虚位移且试件面积差异不便于刚度对比,取弹性线刚度(ki)作为墩接柱刚度的评价指标,k1参考文献[25]确定。如表5所示,传统墩接柱刚度仅恢复至完整柱刚度的43%～65%,BFRP墩接柱则可恢复至66%～90%。其中,抄手榫墩接柱刚度恢复率最大,其次是刻半榫墩接柱,但经BFRP加固后,刻半墩接柱FK1与抄手榫墩接柱FC1刚度恢复水平相当,并略大于试件B21(无榫头巴掌榫墩接柱)。对比3种不同FRP布加固巴掌榫墩接柱刚度可知,CFRP布加固试件刚度可恢复至完好柱刚度的107%,刚度提升略微偏大,而AFRP布与BFRP布加固后,刚度能恢复至82%～83%,略低于完好柱,这是因为当墩接区轴压刚度不远大于柱体其他区域刚度时,纤维布弹性模量越大,墩接区约束越大,墩接柱刚度也越大。

图10为刚度-位移曲线,可以看出,在加载前期,传统墩接柱刚度增长速度小于完好柱,经过FRP加固后的墩接柱刚度增长速度与完好柱相差不大。而进入屈服阶段后,与完好柱相比刚度退化不明显。

图10 刚度-位移曲线Fig.10 Stiffness-displacement curve

2.5 应变分析

木材柱中应力-应变变化可表征柱体的受力状态。由图11可知,FC1、A21、C21试件达到了木材屈服强度,极限强度接近木材极限抗压强度。B21、FK1、FZ1试件接近木材屈服强度,结合试验现象可知,其失效是由木柱墩接口木材压屈所致,材料强度利用率低于前述试件。相比之下,C01、K01、Z01试件的极限强度均远低于木材实际屈服强度,说明在缺乏FRP布的约束作用时,木材强度无法得到充分发挥,在达到材料抗压强度之前,墩接区域木材易出现开裂而提前破坏。

图11 柱中木材应力-应变曲线Fig.11 Stress-strain curve in the middle of the wooden column

由图12墩接区荷载应变曲线趋势可知,巴掌榫墩接柱,位于对称位置的FRP横向应变发展规律差异较小,纵向应变发展规律差异较大,说明墩接区随着荷载增加偏压状态越明显,进入屈服阶段后最为明显。抄手榫和直榫墩接柱在屈服前,墩接区纵向应变和横向应变增长规律大致相同,说明对称的墩接方式更加接近轴压状态,但随着荷载的增加,直榫墩接柱出现榫头开裂,荷载突降,纵向和环向应变前期均大于其他试件,但后期又逐渐恢复原有状态。对比不同纤维布加固的墩接柱可知,纤维布的环向约束效率为AFRP布>CFRP布>BFRP布,纵向约束效率为CFRP布>AFRP布>BFRP布。

图12 墩接区域FRP应力-应变曲线Fig.12 Stress-strain curve of the FRP shell in the pier connection area

2.6 有限元仿真验证

2.6.1 模型建立

FRP墩接加固柱采用ANSYS19.2有限元软件进行数值模拟,木柱采用SOLID45单元模拟,FRP环箍和纵带分别采用SHELl181和SHELL41单元模拟。不考虑木节、裂缝等缺陷的影响,将木材视作正交各向异性的均匀材料,采用ANSYS广义Hill屈服准则模拟木材正交各向异性[26],塑性参数见表3。纤维布则按线弹性材料建模,材料参数见表4。

建模思路如下:根据墩接方式分别建立墩接柱原柱上段和墩接下段(图13);通过CONTA174单元和TARGE170单元模拟墩接区接触面和目标面(摩擦因数、接触刚度等通过试算确定),并设置0.001 mm的接触间隙,以模拟墩接区难以避免的微小间隙和非线性接触行为;建立FRP壳的有限元模型,并通过CPINF命令耦合墩接柱模型与FRP壳模型之间的自由度(如图14),即不考虑木材与FRP布之间的黏结滑移。边界条件为与试验保持一致,分别在模型两端约束横截面内的节点位移,同时约束一端顺纹方向自由度,另一端施加顺纹方向的结点位移,并耦合节点自由度。

图13 墩接柱有限元模型Fig.13 Finite element model of pier joint columns

图14 有限元模型组成Fig.14 Composition of the finite element model

2.6.2 模型验证

对柱端耦合节点施加斜坡位移,获取仿真荷载-位移曲线(图15),可见与试验曲线规律基本一致。为能更有代表性地对比两者差异,获取其峰值荷载与刚度进行对比,试验与仿真力学指标对比见表6,荷载误差范围为1.4%～6.9%,刚度误差范围为1.5%～14.4%,承载力和刚度的仿真分析结果与试验结果相近,即试验与仿真结果对应良好。

表6 试验与仿真结果对比Tab.6 Comparison of test and simulation results

图15 仿真荷载-位移曲线Fig.15 Simulate load-displacement curves

2.7 工作机制分析

如图16所示,FRP墩接加固轴压木柱大致存在3个受力阶段:弹性工作阶段、弹塑性工作阶段、破坏阶段。加载初期,墩接区水平拼接面处的木材逐渐被压紧,单侧承压转变为全截面承压,截面刚度将近增大一倍。弹性工作阶段时,FRP环箍会逐渐约束墩接区木材的横向变形,木材虽处于三向受压状态,但由于纤维布提供的是被动约束,“套箍效应”并不显著,木材与FRP布始终处于弹性受力状态,柱身保持竖直。直到墩接口木材出现局部压屈,墩接柱进入弹塑性工作阶段,FRP环箍对墩接加固区产生明显的环向约束,墩接区木材出现压屈,压屈侧墩接口处的FRP布出现褶皱。达到峰值荷载后,墩接柱进入破坏阶段,FRP纵带纵向约束作用不明显的墩接柱,墩接口木材出现压溃,柱身侧向挠曲明显,受拉侧FRP纵带拉结作用明显。此外,从表观上看,木柱裸漏部分的非FRP加固区表现出轻微的体积膨胀和鼓起。

图16 轴压墩接木柱工作机制分析Fig.16 Working mechanism analysis of axial compression spliced wood column

综上,FRP环向约束作用抑制了加固区木材的横向变形和裂缝的发展,使加固区木材处于三向受压状态,从而提高了墩接柱的承载能力;纵向约束作用对加固区起到一定的拉结作用,延缓了侧向挠曲的发生,增强了墩接柱的稳定性。在FRP环箍纵带的共同约束作用下,墩接柱整体性显著提升,承载力、刚度得到有效恢复,木柱表现出一定程度的塑性破坏特征。

3 结 论

1)无约束墩接柱发生卯口开裂破坏,FRP墩接柱破坏模式随墩接方式的不同而不同。巴掌榫墩接柱破坏为墩接口压溃,刻半榫墩接柱为榫头折断,抄手榫和直榫表现为卯口开裂折断。综合对比承载力等力学指标知,FRP墩接加固柱墩接方式优选顺序为抄手榫、巴掌榫、刻半榫、直榫。

2)长径比为10∶1、墩接高度为750 mm(>1/4柱高)的墩接柱,未经FRP布加固的墩接柱承载力仅恢复至42%～69%,刚度恢复至43%～65%;FRP加固墩接木柱可恢复至原柱承载力的75%～100%,刚度恢复至66%～107%,延性提升24%～96%,能基本恢复其原有承载性能,突破了墩接高度的限制。

3)对比不同FRP布加固的巴掌榫墩接柱力学性能可知,承载力和刚度顺序为CFRP布>AFRP布>BFRP布,且采用AFRP和CFRP加固时,承载力十分接近;变形能力顺序为BFRP布>AFRP布>CFRP布。