竹梁抗拉区纤维布的应用研究

竹梁抗拉区纤维布的应用研究

竹材是一种节能环保的生态绿色材料。它具有强度高、质量轻、可回收、环境效好等特点。1.4。与木材相比,具有更高的强重比、更好的耐磨性及相对较低的吸水膨胀率等优势,强度较一般木材高50%~100%,比强度是杉木的1.5~2.5倍,是中碳钢的2~3倍［4－5］。竹材在土木工程中的应用逐渐被重视［6－8］。但是研究与应用发现,与钢材相比,竹材的弹性模量较低,易受拉脆断［9］,因此,改善与提高竹材在土木工程领域的适用性,增强其跨越能力是竹结构发展的必然方向。纤维复合材料(FRP)具有轻质、高强、耐腐蚀、易裁剪、施工性好、节省人工等优点,用FRP增强混凝土结构、钢结构、木结构已有研究［10－12］,笔者利用FRP增强竹结构,在普通竹梁受拉区加入FRP增强材料,实现FRP与竹材的共同工作,提高竹梁的承载力与刚度,减小跨中位移,通过碳纤维(CFRP)、玄武岩纤维(BFRP)增强竹梁试验,研究了纤维增强竹梁的抗弯力学性能。1材料和方法1.1试验2.4结果所用碳纤维布为日本东丽20碳纤维(CFRP),名义厚度0.111mm,强度为4067MPa,弹性模量239.8GPa,极限应变1.7%;玄武岩纤维(BFRP)为浙江石金玄武岩纤维有限公司生产,名义厚度0.111mm,强度1716.4MPa,弹性模量88.2GPa,极限应变2.3%。选择性能稳定、力学性能较好的竹材重组材,采用冷压工艺压制［13］,参考文献[14-15]的要求,试验所设计的试件尺寸为1800mm×100mm×105mm。竹材采用酚醛树脂胶浸渍,浸胶量1%,冷压压力70MPa,密度1.03g/cm3,竹材实测弯曲弹性模量11.9GPa。为了将纤维加工复合于竹材的截面内部,在距竹梁底面15mm处沿纵向水平锯开,将纤维布浸渍环氧树脂胶(0.5~0.7kg/m2),铺设于竹梁截面锯开位置,覆上15mm竹板,再施加压力至固化完成,环氧树脂胶采用德国慧鱼纤维浸渍胶。完成制作的5组试件编号分别为B-0(对比试件)、BB-1(1层BFRP)、BB-2(2层BFRP)、BC-1(1层CFRP)、BC-2(2层CFRP)。1.2试验加载速度加载试验为静载试验,采用4点弯曲加载。试件居中放置,净跨距L=1710mm,跨高比17∶1,两个集中荷载作用点间距a=570mm。试验初期加载速度为4mm/min,在接近理论最大荷载时,加载速度降到1.5mm/min,以便观察试件的具体破坏过程。为了记录竹梁试件侧面和上、下底面的应变,在竹梁跨中截面表面粘贴了8个应变片(Y1—Y8),其中顶面和底面各2个,顶面为Y1、Y2,底面为Y7、Y8;正侧面应变片4个,自上而下分别为Y3—Y6;侧面应变片间的距离均为20mm。2结果与分析2.1试验结果及分析各试件荷载-位移关系曲线见图1。在加载初期,随着荷载的增加,位移基本成线性增加;当加载到极限荷载的50%左右时,逐渐进入塑性阶段;当接近极限荷载时,曲线逐渐平缓,荷载上升较缓慢;试件在达到最大极限荷载后,承载力迅速下降,多数试件在破坏后维持的承载力较低。未添加增强纤维布的试件B-0在位移达到33mm后不断听到竹材崩裂的声音,在位移达到40mm左右时,竹材在侧面下边角部有轻微断裂,在位移44mm时另一侧面角部竹材破裂,随后底层的竹材分层逐渐断裂,荷载下降。BB-1在加载到位移40mm时开始出现细微的响声,此后断断续续出现胶绷紧响声,试件弯曲开始逐渐明显,在位移达到60.75mm时,试件一侧面底部开始出现细微竹材断裂,在位移达到65.01mm,出现较大响声,试件另一侧面底部竹材也开始断裂,在位移达到78.10mm时,连续出现较大断裂声,底部竹材断裂加大并沿FRP层向两端方向扩展,并继续向上扩展至距底面约35mm处,随后裂缝继续扩大与升高,试件承载力逐渐降低。BB-2在跨中位移31.88mm时,开始出现细微响声,位移达到56.77mm时,出现细微竹材断裂响声,试件弯曲明显,在位移达到71.40mm时,出现轻脆的断裂声,两侧面底部棱角至FRP层的竹材断裂,在位移达到76.35mm,连续出现较大响声,跨中底部竹材大量拉裂,在位移达到89.29mm时,底部继续断裂,发出竹材断裂声,在位移达到98.98mm时,底部竹材裂缝扩展到了试件高度约一半处,荷载下降至较低值。试件BC-1为第1根制作的试件,由于在制作时,其纤维浸渍胶流失较多,纤维与竹材的上下部粘结效果较差,在跨中位移49.89mm时,发生轻微响声,跨中位移54.20mm时,发出较大响声,试件在纤维层处出现上下沿纵向水平错开的剪切破坏,荷载急剧下降,竹材未产生断裂。BC-2在跨中位移32.50mm时,开始出现间断、细微的竹材断裂声,在位移37.08mm时,弯曲较为明显,在位移42.50mm时,出现较大连续响声,侧边底部出现轻微断裂,在位移达到44.79mm时,试件出现较大响声,跨中底部竹材受拉断裂,荷载下降,继续加载,荷载又继续上升,在位移达到82.48mm时,发出较大响声,竹材断裂加剧。综上,对于4种FRP布增强竹梁试件,除了试件BC-1由于制作工艺问题,在FRP层处发生了沿纵向的分层剪切破坏,其他3种FRP增强竹梁试件都发生了跨中竹材受弯拉断的正常破坏模式。各试件同级荷载下跨中位移比较见表1。从表1可以看出:与B-0相比,BB-1、BB-2和BC-2均表现出了很好的FRP布增强效果,在10kN的同级荷载作用下较未添加增强纤维的对照,其跨中位移减小了9.5%~13.6%;在20kN的同级荷载作用下的跨中位移减小了7.9%~14.4%;在30kN的同级荷载作用下的跨中位移减小了12.6%~22.0%,其中以2层CFRP布增强的试件效果最为突出。而BC-1由于试件的制作缺陷,发生了纵向剪切破坏,没有达到预想的效果。根据《木结构设计规范》［15］规定,作为结构的受弯构件,梁和搁栅的挠度限值为L/250(L为跨度)。该研究中各试件破坏时的挠度均远远超过这一限值,而分析各增强试件对应L/250时的荷载FL/250,纤维增强试件BB-1、BB-2和BC-2都有着明显的提高,对应挠度限值为L/250时BB-1、BB-2和BC-2的截面刚度有着较大的提高,分别提高9.73%、12.89%、12.76%。在承载早期,碳纤维的较高弹性模量未得到较好的体现,但是在承载的后期,2层CFRP增强试件BC-2的跨中位移明显小于2层BFRP增强试件BB-2,表明弹性模量较好的纤维对刚度提高更加有效。根据复合材料层合梁理论,纤维增强竹梁的截面刚度B按公式(1)计算:式中:bb、hb分别为竹材的截面宽度与高度,Eb为竹材的弹性模量,db为竹材截面中心与复合截面中性轴的距离,bf、hf分别为纤维布的宽度与厚度,Ef为纤维的弹性模量,df为纤维层中心与复合截面中性轴的距离。根据式(1)对纤维增强竹梁的荷载-位移关系进行预测,结果见图2。由图2可见预测模型与试验吻合很好。2.2各纤维增强作用不同增强结构试件承载力、刚度比较见表2。相对于对比试件B-0,FRP增强试件BB-1、BB-2和BC-2的最大承载力提高了30.16%~52.44%,其中2层玄武岩纤维布增强试件BB-2的增强效果最好,提高了52.44%。对比BB-1、BB-2可知,随着纤维布层数的增加,承载力提高的幅度增加。对比碳纤维增强试件和玄武岩纤维增强试件,对最大承载力来说,碳纤维增强效果没有玄武岩纤维增强效果好,这是由于玄武岩纤维布的纤维材料特性(实际厚度大、胶的渗透性差),在纤维布浸胶完成进行施压时,其内部的浸渍胶相对碳纤维布来说不容易被挤压流失,因此,其与上下竹材界面的黏结性能较好,增强效果可以得到较好的保障;而对于碳纤维布增强试件,在施压过程中,浸渍胶流失较多,造成纤维布所在层容易剪切失效,承载力增强效果不如玄武岩纤维增强试件。2.3纤维增强试件密度对其增强效果的影响根据试验采集的数据可得荷载-应变的关系曲线(图3),其中应变以受拉为正,受压为负。可以看出,在整个加载过程中,无论是受拉区,还是受压区,各测点的应变-荷载关系基本呈线性变化。试件B-0临近破坏时,受拉区竹纤维的最大拉应变达到12000με以上,受压区的竹纤维最大应变可达7000με左右,由于受拉区破坏过早,试件受压区材料强度未能得到充分发挥。对于纤维增强试件,临近最大承载力,除了BC-1以外,试件受压区竹纤维应变都达到12000~14000με,较对比试件明显增大,而对于纤维增强试件受拉区的竹纤维应变,不同纤维类型增强试件有着明显的差异,BFRP增强试件的极限状态下受拉区应变达到8000~10000με,而CFRP增强试件的受拉区应变较小,为7000με左右,可见,CFRP增强效果较BFRP增强效果差。同级荷载下各试件应变沿截面高度的分布对比见图4,可以看出,对于纤维增强试件,受拉区竹纤维拉应变较对比试件明显减小,受压区竹纤维压应变明显增大,截面中性轴位置下移,表明了纤维材料在竹结构承载中的增强作用,而在最大荷载下,由于纤维的增强,上部受压区竹纤维受压作用得到了较为充分的发挥。同时,可以看出,各试件应变沿截面高度方向呈线性分布,表明试件破坏前纤维层在与上下竹材黏结良好,没有发生滑移,符合平截面假定。3纤维增强层的作用(1)相对于未添加纤维增强材料的竹梁,纤维增强竹梁的抗弯承载力提高30.16%~52.44%,对应正常使用极限状态挠度限值时的截面刚度提高9.73%~12.89%,竹梁受拉区设置纤维增强层可显著提高竹梁抗弯承载力与刚度,减小使用荷载下的跨中挠度,