纤维增强复合材料加固木梁受弯性能试验研究

纤维增强复合材料加固木梁受弯性能试验研究

国内外对木梁加固材料的研究主要包括木梁加固材料的金属板材、预制金属板材、预制钢索、预制钢杆、三夹板和各种建筑材料。加固方法主要分为三种类型：固定木梁或加农砖梁的底部、拉深和拉深区域。采用纤维增强复合材料加固木梁具有便于施工、节约劳动力、可有效防止木材腐蚀破坏等特点。目前采用FRP加固木梁的研究存在以下不足:1)现有的加固方式主要将加固材料布置于木梁或Glulam梁的受拉区,而木材的抗拉强度比其抗压强度高出至少3倍,过多增强受拉区使梁破坏时跨中挠度变大,而承载力增幅较小;2)不能同时反映加固材料的数量、类型对加固木梁抗弯性能的影响。据此,本研究拟主要进行以下几个方面的研究:1)将碳纤维增强复合材料(CFRP)和玻璃纤维增强复合材料(GFRP)两种材料分别布置于木梁受拉区,分析受拉区加固材料数量和类型对加固木梁的抗弯性能的影响;2)在木梁的受拉区和受压区同时布置FRP加固材料,分析受压区加固材料对木梁承载力的影响;3)在木梁的纯弯区横向缠绕FRP材料,分析横向约束作用对木梁承载力的影响。1测试1.1加固木梁材料配比和横向约束试验研究为了研究受拉区加固层的数量和类型对加固木梁性能的影响,将木梁受拉区加固层数设计为1~3层,加固材料分别为CFRP和GFRP。木材抗压强度为28.65MPa,抗拉强度为74.31MPa,CFRP抗拉强度为1998.7MPa,GFRP抗拉强度为735.2MPa。为了研究受压区加固材料对加固木梁性能的影响,试验将FRP加固材料分别布置于木梁受压区顶部和侧部,受压区和受拉区加固材料数量比分别采用1∶2和1∶3;为研究纯弯区横向约束对木梁承载力的影响,在木梁纯弯区分别采用1~2层GFRP材料进行横向缠绕加固。本试验共设计了12组FRP加固木梁,每组3根。试件采用矩形截面简支梁,梁的跨高比为18∶1,木梁的尺寸设计为长1900mm,宽50mm,高100mm。加固层的宽度与木梁的宽度相同,长度为梁的跨度每端向里缩进50mm,布置于侧部的加固材料的高度为梁高度的1/3,具体加固方式和参数设计见表1。1.2数据的加载与观察在试验过程中,采用逐渐加载的方式测定梁的抗弯强度和变形变化。每级加载0.5kN,稳定后读取各种数据,加载至预估弹性极限以后开始采用连续加载的方式加载和采集数据,直至试件破坏为止。在加载的过程中,通过刻度放大镜观察各种划线的变形,记录发生声响和裂缝时的荷载值、挠度值;观察梁受压的变形和梁中存在裂缝的发展情况,记录梁受压区出现皱褶现象和破坏现象时的荷载和挠度值。2试验现象和破坏形式2.1跨中截面平均应变基本符合“平截面假定”试件W-1的试验现象为加载初期变形很小,没有明显的预兆,弹性极限荷载后试件挠度增长迅速,且在梁纯弯区段的受压区出现木纤维被压皱的现象,皱褶一般先出现在试件中有木节或有凹痕的位置,沿着木节的边缘出现;随着荷载增加,受压区的皱褶逐渐加深,梁的变形不断增大。试件破坏时梁的挠度达到100mm左右。破坏时梁的受拉区木纤维被拉断。图1未加固木梁W-1在整个加载过程中的跨中截面平均应变基本能够符合“平截面假定”。随着荷载逐渐增加,应变-高度关系曲线沿截面高度逐渐下降,表示中和轴高度在逐渐下降,下降后截面受压区的应变逐渐大于受拉区的应变,表示受压区逐渐屈服,屈服后的应力增长幅度减小,而受拉区保持线弹性关系,应力始终成比例增长,为保持二者平衡,中和轴高度下移。2.2加固木梁的变形力学分析试件W-2、W-3、W-5、W-6的工作机理和破坏形态相似,本文以试件W-2为代表进行受力过程分析。试件W-2在加载初期试件的变形很小,无开裂的现象发生,梁上划线保持和梁轴线相垂直。在荷载增加到弹性极限时,试件的荷载-挠度曲线稍微偏离直线,表明试件的受压区局部木纤维出现发生屈服;继续加载试件跨中受压区出现细微的皱褶,此时试件跨中的挠度达37mm,应变仪上的数据显示受压区的应变较受拉区的高出一倍多;随着荷载的增加,梁的变形逐渐增大,受压区的皱褶逐渐加深,皱褶长度增加,逐渐向受拉区延伸;加载到荷载达到极限,木材和加固层被拉断,断裂处有长约20mm竖向裂缝。试件W-4为受拉区粘贴3层CFRP加固木梁,其受力过程和破坏形态初期与W-2相似,加载后期试件受压区皱褶严重,跨中挠度较大,破坏时木材被拉断,断裂处有长约15mm竖向裂缝,加固层未被拉断,试件中存在较长的水平裂缝,试件受拉区边缘处加固层剥离。由图1可见,加固试件W-2—W-6的跨中截面平均应变与截面高度之间基本保持为直线关系,能够符合“平截面假定”。加固试件的截面应变-高度关系曲线在加载初期即不通过试件截面高度的1/2处,而是位于截面高度1/2的下方,这是因加固层存在,试件刚度中心不再与截面高度对称,而是偏向与布置加固层的一方。随荷载增加,试件的中和轴逐渐下降,这表示试件的整体刚度增加了。在加载后期,试件的截面应变-高度关系曲线的斜率变化均匀,这表示加固试件的抗弯性能稳定,加固层能够减小木梁中各种缺陷产生的影响,使木梁更大程度地发展其塑性特征。图2为仅梁受拉区底部布置FRP加固木梁的荷载-跨中挠度关系曲线。由图2中可见,未加固木梁W-1在加载初期的曲线保持为直线,试件处于线弹性状态;当荷载增加到约50%的极限荷载时曲线偏离直线,试件的受压区进入弹塑性阶段,在荷载达到极限荷载时试件破坏。仅受拉区底部加固木梁W-2—W-6的荷载-跨中挠度关系曲线均高于未加固木梁,由于受拉区加固层的存在,木梁的刚度增大,因而曲线的斜率较未加固木梁的曲线斜率增大,加固木梁的屈服荷载和极限承载力增加。加固层使得木梁能够充分发挥其塑性特征,增强梁的变形能力,减小因木梁中缺陷引起的抗弯性能不稳定性。加固木梁的极限承载力随加固层层数增加而增大,层数相同时,CFRP加固木梁的极限承载力高于GFRP加固木梁的。2.3加固木梁的变形分析试件W-7为受拉区粘贴两层CFRP受压区顶部粘贴一层CFRP加固木梁,其受力过程与W-2相似,试件跨中受压区出现皱褶后,受压区加固层出现局部弯折现象;加载到极限荷载时,木材和加固层被拉断,断裂处有长约20mm竖向裂缝试件破坏。试件W-8为受拉区粘贴3层CFRP受压区顶部粘贴一层CFRP加固木梁,其受力过程和破坏形态初期与W-7相似,受压区顶部皱褶时受压区加固层发生弯折破坏;后期与W-4相似,受压区加固层折断程度严重,木材被拉断,在皱褶端部与加固层的一个端部之间形成通长的斜裂缝,受拉区加固层发生剥离而未被拉断,试件破坏,破坏时挠度较大。试件W-9为受拉区粘贴两层CFRP受压区侧部粘贴一层CFRP加固木梁,其受力过程与W-7相似,试件跨中受压区出现皱褶后,受压区加固层也出现局部弯折现象,随着受压区褶皱逐渐向受压区延伸,受压区加固层逐渐被折断;加载后期受力变形过程与试件W-8相似。图3为仅受拉区布置FRP加固木梁的截面应变-高度关系曲线。由图3可见,试件W-7—W-10能够保持跨中截面符合“平截面假定”。试件在加载初期的中和轴距离未加固梁的形心比仅受拉区底部布置加固层梁的要小,而且较后者在更大荷载范围内保持曲线斜率变化而中和轴高度不变。产生这种现象的原因是受压区顶部加固层的存在使试件受压区和受拉区的刚度相差程度减小,因而加载初期中和轴的位置距梁的形心距离较近,同时由于受压区加固层的存在使受压区屈服时能够承受更大的荷载,使加固木梁在更大荷载下保持为线弹性特征。另外由于受压区加固层使试件的总刚度增大,因而加载过程中试件的中和轴下降的幅度减小,性能更加稳定。图4表示受拉区和受压区均布置FRP加固木梁的荷载-跨中挠度关系曲线,由图4可见,受压区布置加固层后,曲线的斜率、最大值较未加固试件高出许多,表示试件的刚度、承载能力和变形能力得到极大的提高。图4中曲线有一个共同的特征,在加载初期到某一值间,荷载-跨中挠度关系曲线基本保持为直线关系,当荷载超过这个值时,荷载-跨中挠度关系曲线的斜率下降幅度较大,曲线接近于水平线,而且有较大的过程存在这个现象,直至试件达到其极限荷载为止。图4中曲线也反映了随受拉区加固层层数增加,试件的刚度增大,荷载-跨中挠度曲线的斜率增大。在受压区布置加固层后,加固层和木梁受压区共同承担压应力作用,试件受压区屈服时的荷载增大,在图4中表现为曲线在较高荷载值时才发生斜率变化。图4中试件W-7和W-9的曲线基本接近,试件W-8和W-10的曲线接近。试件W-7、W-8的曲线初始斜率大于试件W-9、W-10,而到后期,试件W-9、W-10的极限荷载略大于试件W-7、W-8。2.4纯弯区横向frp加固木梁的荷载-跨中挠度曲线试件W-11为受拉区粘贴3层CFRP、纯弯区横向缠绕1层GFRP加固木梁,其受力过程初期与W-4相似,随着受压区皱褶发展,横向加固层泛白;加载到极限荷载时,木材被拉断,木梁受拉区产生斜向裂缝,一直延伸至加固层,受拉区加固层未被拉断,而是自梁端到斜向裂缝处发生剥离破坏。试件W-12为受拉区粘贴3层CFRP、纯弯区横向缠绕两层GFRP加固木梁,受力初期与试件W-11相似,当荷载较大时,受压区的褶程度严重,木材和加固层被拉断,试件破坏,破坏时挠度较大。图5为仅纯弯区横向FRP加固木梁的截面应变-高度关系曲线。由图5中可见,试件的跨中截面的平均应变在整个加固过程中沿截面高度基本保持为线性关系,跨中截面能够符合“平截面假定”。试件的截面应变-高度关系曲线在加载初期距未加固木梁的截面形心较近,加载初期曲线的位置和斜率变化也较前述试件小,整个加载过程中曲线的斜率、位置变化均匀,反映了试件的抗弯性能稳定程度更高,充分体现了抗弯区横向缠绕产生的FRP的约束作用使试件受压区的刚度和屈服强度提高,使试件中存在的缺陷在加载过程中产生更小的影响。受压区刚度的提高使得木梁的性能更稳定,使截面应变-高度关系曲线的位置和斜率变化均匀。图6为纯弯区横向FRP加固木梁的荷载-跨中挠度曲线。由图6中可见,加固试件曲线的斜率较未加固试件的大很多,试件在较大荷载范围内表现为线弹性特征,这表示试件的刚度得到较大幅度的提高,而且随着横向加固层层数的增加,试件的刚度和曲线的斜率增大。试件的极限承载力随横向加固层层数的增加而增大。试件破坏时的挠度达到180mm,超出未加固试件一倍左右,说明试件的变形能力得到较大的提高,横向加固层的约束作用使木梁受压区的塑性充分发挥,使试件的性能更加稳定。3设计参数对测试操作的性能的影响3.1加固层数对木梁承载力的影响试验结果表明,木梁采用FRP加固后的承载力和变形能力均得到提高,提高幅度与加固层的层数、加固层的类型以及加固方式有关。由试件W-1、W-2、W-3、W-4的试验结果比较可知,加固木梁的受弯承载力随受拉区加固层层数的增加而增加,其中受拉区粘贴1层CFRP使木梁承载力提高达30.61%,粘贴1层CFRP使木梁承载力提高达57.78%,粘贴3层CFRP可使木梁承载力提高达77.27%。通过分析试件的工作机理,加固木梁发生弯曲变形时,其受拉区边缘处的应变逐渐增大,在加固层与木梁粘接较好的基础上,加固层中将发生同样的应变变化,由于加固层的刚度较高,加固层中产生的拉应力比木梁中的高得多,随着加固层层数增加,加固层中的拉应力合力成倍增长,因而试件的承载力随加固层层数的增加而增加。3.2拉区、受拉区、原理等对木梁极限承载力的影响由试件W-2和W-5的试验结果比较、W-3和W-6的试验结果比较可知,采用CFRP加固木梁承载力的提高幅度大于采用GFRP加固的试件,其中受拉区粘贴1层GFRP使木梁承载力提高达17.69%,受拉区粘贴2层GFRP使木梁承载力提高达33.26%。产生这种现象的原因是加固层为线弹性材料,其对承载力的贡献随受拉区应变的增大而增大,CFRP材料的弹性模量和抗拉强度比GFRP材料的大很多,因而其对木梁极限承载力的贡献也较后者大。以上试验结果比较表明,加固木梁的受弯承载力随受拉区加固层层数的增加而增加,在加固层层数相同的情况下,采用CFRP加固的效果比GFRP好。3.3加固层对木梁受力性能的影响试件W-3、W-7、W-9和试件W-4、W-8、W-10两组的试验结果表明,在试件的受压区布置加固层后试件的受弯承载力得到提高,其中受拉区布置2层CFRP、受压区顶部粘贴1层CFRP的试件承载力提高59.96%,受拉区布置3层CFRP、受压区顶部粘贴1层CFRP的试件承载力提高78.97%;受拉区布置2层CFRP、受压区侧部粘贴1层CFRP的试件承载力提高62.51%,受拉区布置3层CFRP、受压区侧部粘贴1层CFRP的试件承载力提高79.55%。由试件W-7、W-9和试件W-8、W-10的试验结果表明,加固层布置于受压区侧部较布置于受压区顶部效果好。以上结果比较表明,在木梁受压区布置加固层可提高木梁的承载力,但提高的幅度不大,提高的幅度与受压区加固层的粘贴位置有关,加固层粘贴于受压区侧部的效果优于粘贴于受压区顶部的。通过比较试件W-4、W-11、W-12的试验数据得到,木梁受拉区加固层层数相同时,在木梁纯弯区横向缠绕加固层可提高木梁的受弯承载力,效果明显优于其他几种情况,且受弯承载力随横向加固层的数量增长而增大,其中纯弯区横向缠绕1层GFRP可提高加固木梁承载力5.15%,纯弯区横向缠绕1层G