BFRP加固木梁抗弯性能的初始试验

李飞,王全凤,陈浩军,黄奕辉

(1.华侨大学土木工程学院,福建泉州362021; 2.中国华侨大学建筑土木(澳门)协会,澳门999078)

BFRP加固木梁抗弯性能的初始试验

李飞1,王全凤1,陈浩军2,黄奕辉1

(1.华侨大学土木工程学院,福建泉州362021; 2.中国华侨大学建筑土木(澳门)协会,澳门999078)

通过对6根矩形截面木梁的静力试验,研究玄武岩纤维布(BFRP)加固木梁的破坏特征、截面应变、极限承载力等抗弯性能.结果表明,BFRP加固木梁能够有效提高木梁的承载力;在加载过程中,BFRP加固木梁的刚度有很大程度的提高.同时,受木节的影响,纤维布加固木梁存在很大的离散性.

木梁;玄武岩纤维布;加固;抗弯性能;极限承载力

在我国现存的古建筑中,木结构占有相当的比例,如杭州的六和塔和山西应县木塔等都已有数百年的历史.木结构建筑具有重量轻、温暖舒适、健康环保等优点,比现代钢结构和混凝土结构更具有自然亲和力与民族特征.随着社会生活品质的提高和对传统建筑认识的价值回归,人们越来越重视传统木结构建筑的保护工作[1-3].木结构中的梁、枋、檩是整个木构架中的主要构件.从力学的角度分析,这些构件都属于受弯构件[4].木材在空气中易老化,受台风、地震、雨水、废气等影响易被破坏.因此,对这些古建筑进行维修加固是一件迫在眉睫的事情[5].目前,在结构加固中用得比较多的纤维增强复合材料(FRP),主要是碳纤维(CFRP)、玻璃纤维(GFRP)和芳纶纤维(A FRP)[6-8].玄武岩纤维(BFRP)的耐高温性、化学稳定性、耐腐蚀性、导热性、绝缘性等许多技术指标优于其他纤维,且性价比高.基于此,本文对BFRP加固木梁的抗弯性能进行了初步试验研究和分析.

1 试验部分

1.1 试件设计

制作6根木梁,其中3根为对比梁,3根为加固梁,均为矩形截面(b×h=80 mm×120 mm),跨度为2 400 mm,净跨为2 200 mm.考虑木材的离散较大,D-1,D-2,D-3均未加固,作为对比梁;B-1,B-2,B-3在梁底粘贴1层玄武岩纤维布,作为加固梁,延伸至距支座10 mm处.

1.2 材料性能

试验梁所用的木材为福建水杉,其顺纹抗拉强度为77.36 M Pa,顺纹抗压强度为36.03 M Pa,弹性模量为10.820 GPa;而粘接树脂选用日本产的小西“E2500S型”树脂,体积混合比为2∶1.加固材料性能,如表1所示.表1中:σt为拉伸强度;σs为压缩强度;Ec为弹性模量;εl为极限应变.

1.3 加载方案及测量方案

试验在华侨大学力学实验室的200 kN微机控制电子万能试验机上进行.加载方式为通过分配梁两点集中加载,在正式加载之前对试件进行预加载,然后,按3 kN·m in-1缓慢加载直至破坏.

表1 加固材料的性能指标Tab.1 Mechanical p roperties of BFRP

试验测量内容包括木梁跨中位移、支座沉降,跨中截面木纤维的应变.在梁跨中截面沿高度均匀设置5个应变片,所有测量数据均由DH3816型静态应变测量系统同步采集.加载装置及测点布置,如图1所示.

图1 加载装置及测点布置(单位:mm)Fig.1 Loading setup and distribution of measuring points(unit:mm)

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态及极限荷载

对比梁和加固梁在加载前期,材料基本处于

弹性状态.随着荷载的增加,跨中挠度增大.加载过程中未出现裂缝,支座沉降很小,可忽略,在木梁达到极限荷载之前,可以听到明显的木纤维断裂声,但表面观察不到任何开裂,之后伴随着“啪”的一声脆响,木梁突然断裂(同时加固梁的玄武岩纤维布受应力集中作用被分条拉断).

对比梁和加固梁均是由于受拉区缺陷处受拉木纤维达到极限拉应变而破坏,破坏点为跨中或加载点处,均属受弯破坏(图2).这是因为木材抗拉强度对缺陷处产生的应力集中比较敏感.由于BFRP布的锚固长度较长,没有出现端部剥离破坏.所有梁的试验结果,如表2所示.表2中:Pl为极限荷载.从表2中可以看出,加固梁的承载力比未加固梁均有很大程度提高.由于选材不当,试件D-3,B-2跨中含有较大木节,材质等级很低,实验数据相对较差,将不再进行讨论.

表2 试件的测试结果Tab.2 Test results of specimens

图2 试件的破坏形态Fig.2 Failuremodes of specimens

图3 试件的荷载-挠度曲线Fig.3 Load-deflection curve of specimens

2.2 荷载-挠度曲线

木梁在整个加载过程中,其荷载(P)-挠度(Δ)曲线分为线性、屈服两部分,如图3所示.加载初期,木梁处于弹性阶段,荷载-挠度曲线为线性;然后,木梁进入塑性阶段,刚度减小,挠度增加较快.破坏前变形很大,属延性破坏,加固梁的延性要比未加固的梁好一些.从图3中可明显看出,加固梁的刚度也有很大的提高.

2.3 荷载-应变曲线

木梁跨中截面各测点的应变(ε)随荷载(P)的变化曲线,如图4所示.从图4中可以看出,在整个加载过程中,各测点的应变-荷载关系基本上是线性的;当受压区应变达到曲屈服极限时,木梁中性轴下移,各测点的应变增长较快,说明受压区进入塑性阶段.

2.4 平截面假定的验证

试件的跨中截面应变分布,如图5所示.从图5中可以看出,在弹性阶段,加固梁和未加固梁的应变沿高度(h)方向的分布基本符合平截面假定.因此,在计算和分析时可以把平截面假定作为一个基本假定.在塑性阶段,中性轴的位置随着荷载的增大下移,这是因为木材的抗压屈服极限较抗拉屈服极限低很多(文中木材抗拉屈服强度是抗压屈服强度的2倍).随着荷载的增大,受压区的木纤维首先进入塑性状态;而由于截面上的总应力为0(N=0),随着荷载的增加,玄武岩纤维布的贡献也越来越大,截面拉应力总和也在增大,为达到新的平衡,中性轴下移.

图4 试件的荷载-应变曲线Fig.4 Load-strain curve of specimens

图5 试件的跨中截面应变分布Fig.5 Cross section strain distribution of specimens

3 结论

通过6根木梁(其中3根为对比梁,3根为加固梁)的破坏试验,得到如下一些4点结论.

(1)梁底粘贴一层玄武岩纤维布能有效地提高木梁的极限承载能力,在文中平均提高幅度大约在28%左右.

(2)由荷载-挠度曲线的斜率可以看出,粘贴玄武岩纤维布能提高木梁的刚度.通过对曲线弹性区的拟合,由曲线斜率可计算出刚度提高幅度大约在34%左右,效果比较明显;同时,木梁的延性也有很大提高.

(3)加固梁和未加固梁的应变沿高度方向的分布基本符合平截面假定,因此在计算和分析时,可以把平截面假定作为一个基本假定.

(4)梁底粘贴玄武岩纤维布同样能起到很好的抗弯加固的效果,且较梁底粘贴碳纤维布经济实惠.

[1] 蒋湘闽,胡平.碳纤维布加固木梁抗弯性能的试验研究[J].工业建筑,2005,35(8):35-39.

[2] 许清风,朱雷.FRP加固木结构的研究进展[J].工业建筑,2007,37(9):104-108.

[3] 张大照.CFRP加固修复木柱梁性能研究[D].上海:同济大学,1998.

[4] 王增春,何艳丽,王溥,等.FRP加固木结构的应用和研究[J].建筑技术开发,2004,31(3):13-14.

[5] 谢启芳,赵鸿铁.碳纤维布加固木梁抗弯性能的试验研究[J].工业建筑,2007,37(7):104-107.

[6] 吴照华.碳纤维布加固古建筑木梁的性能研究[D].西安:西安建筑科技大学,2007.

[7] 马建勋,蒋湘闽,胡平,等.碳纤维布加固木梁抗弯性能的试验研究[J].工业建筑,2005,35(8):35-39.

[8] 周钟宏.碳纤维布加固木结构构件的性能研究[D].南京:南京工业大学,2005.

Experimental Investigation on Bending Behavior of Timber Beams Strengthened with BFRP Sheets

L IFei1,WANG Quan-feng1, CHEN Hao-jun2,HUANG Yi-hui1
(1.College of Civil Engineering,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China; 2.Association of A rchitecture and Civil Engineering of Huaqiao University,Macao 999078,China)

Acco rding to the static Experiments of 6 rectangular timber beam s strengthened w ith basalt fiber reinfo rced polymer(BFRP)sheets,the bending Behavio r is investigated,including the failure characteristic,strain on section and ultimate load carrying capacity.The experimental result indicates that BFRP strengthening increases efficiently the load carrying capacity,ductility and rigidity of timber beam.A large discretenessof result exists due to knag.

timber beam;basalt fiber reinfo rced sheet;strengthening;bending behavior;ultimate load carrying capacity

TU 366.202

A

(责任编辑:钱筠 英文审校:方德平)

1000-5013(2010)06-0688-04

2009-11-19

王全凤(1945-),男,教授,主要从事工程结构力学分析、结构抗震及加固的研究.E-mail:qfwang@hqu. edu.cn.

澳门特别行政区科学技术发展基金资助项目(524/263/SAF/2008);福建省泉州市科技计划项目(2006G7)