FRP板增强胶合木梁蠕变性能试验研究

陆伟东，宋二玮，岳 孔，刘伟庆

（南京工业大学 现代木结构研究所，江苏 南京 211816）

在持久应力作用下，材料的变形随时间延长而逐渐增大的特性称为蠕变，蠕变是木材的重要特性之一[1].由蠕变产生的附加变形效应将增大结构的总体变形，严重时甚至导致结构破坏.有关学者对木材、复合木构件的蠕变机理、蠕变性能进行了试验研究[2－3]，涉及试件尺寸一般都较小，也很少从结构层面给出相关设计方法.用金属材料或FRP和层板胶合制成的增强复合木结构[4－7]，不仅具有较高的强度、刚度以及延性性能，还能够降低构件在荷载长期作用下的变形，从而提高稳定承载力.通过增强方式提高胶合木梁强度的研究较多[8－9]，但对增强后的胶合木梁蠕变性能研究却较少.因此，本文对FRP板增强胶合木梁的蠕变性能进行了试验研究，以期为结构设计提供依据.

1 试验概况

1.1 原材料性能

试验采用花旗松胶合木，其抗拉强度为102.1MPa，顺纹径面抗剪强度为10.6MPa，弹性模量为12 236MPa；FRP板厚度为1.2mm，抗拉强度为2 800MPa，弹性模量为165GPa；粘贴FRP板用胶黏剂选用双组分环氧树脂型胶，其抗拉强度≥30MPa，抗弯强度≥45MPa，弹性模量≥3 500MPa.

1.2 试件设计

试件尺寸为50mm×150mm×2850mm，层板厚度为30mm，其具体参数见表1.

表1 试件参数Table1 Parameters of specimen

1.3 测试方法

蠕变试验采用四点弯曲加载方式，在恒温恒湿（（20±2）℃，RH（65±3）%）实验室进行.采取前密后疏、人工读数的方式记录FRP板增强胶合木梁两端支座、跨中的位移变化.蠕变试验见图1.

2 试验结果及分析

2.1 不同应力比试验

图1 蠕变试验示意图Fig.1 Creep test

不同应力水平下普通胶合木梁蠕变变形和相对蠕变变形曲线见图2.由图2可见：在不同应力水平下，普通胶合木梁的蠕变变形遵循类似的规律，在低应力水平下，蠕变变形在经历瞬态蠕变后，进入稳态蠕变，其变形增长非常缓慢，这种情况不会导致材料的最终破坏；在高应力水平下，蠕变的变形速度明显高于低应力水平，普通胶合木梁可能由于蠕变而破坏.因此，在设计时要控制好合适的应力水平.

图2 不同应力水平下试件的蠕变变形和相对蠕变变形曲线Fig.2 Creep deformation and relative creep deformation curves of specimen under different stress levels

2.2 FRP板增强试验

图3为不同试件的蠕变变形和相对蠕变变形曲线.由图3可见，在恒定应力作用下，FRP板增强胶合木梁的初始变形比普通胶合木梁的初始变形要小27%41%，说明FRP板的配置能有效提高胶合木梁的初始刚度.但是，L3，L4，L5的相对蠕变变形却相差不大，说明FRP板对相对蠕变变形的控制效果不大.

图3 不同试件的蠕变变形和相对蠕变变形曲线Fig.3 Creep deformation and relative creep deformation curves of different specimen

3 胶合木梁蠕变模型的建立及预测

3.1 蠕变模型的选取

本文采用的胶合木梁蠕变本构模型由虎克体、Kelvin模型和黏性体模型串联组成，是一个由Maxwell模型和Kelvin模型串联而成的4－element模型，该模型能够较全面描述胶合木梁的蠕变过程.

3.2 本构方程

在本试验中，应力水平不是很高，没有进入破坏阶段，因此本文只研究胶合木梁瞬态蠕变和稳态蠕变变形，不涉及加速蠕变变形，即蠕变总应变ε（t）为瞬态蠕变应变ε0和稳态蠕变应变εc（t）之和：

由于各元件之间采用串联方式组成，所以各部分所受到的应力均为σ，且ε0＝σ／E在确定的应力水平下为常数，εc（t）可由下式求得：

式中：t为蠕变时间，h；A，b为试验系数.

由于胶合木梁蠕变速率与荷载呈线性关系，因此式（2）可写成：

式中：a为试验系数.

由以上3式可以得到本试验条件下胶合木梁的蠕变本构方程为：

3.3 相对蠕变变形

根据胶合木梁蠕变的本构方程，可以得到变形与时间的关系为：

式中：δ（t）为总变形；δ0初始弹性变形；δc（t）为蠕变变形，且

由式（5），（6），可以得到相对蠕变变形为：

3.4 胶合木梁蠕变模型参数拟合及预测

利用Origin软件对试验数据进行了拟合分析，并对胶合木梁的长期变形进行了预测.拟合结果见图4，5.

从图4，5可以看出，相对蠕变变形拟合曲线的精度都较高，R2均接近1，说明本文建立的模型正确.a，b及相对蠕变变形预测见表2.

由表2可见，L1，L2试件50a后的相对蠕变变形分别为109.62%，158.29%，考虑到普通胶合木梁的初始变形较大，其50a后的变形将更大，如果依照GB／T 50708—2012《胶合木结构技术规范》，仅按荷载效应的标准组合计算，可能导致长期受荷构件的挠度偏大.

图4 相对蠕变曲线Fig.4 Relative creep deformation fitting curves

图5 50a相对蠕变变形预测Fig.5 Relative creep deformation fitting curves in 50aforecast

表2 相对蠕变变形系数a，b及相对蠕变变形预测Table2 Factor a，band forecast of Relative creep deformation

通过比较发现，50a后L3，L4，L5的相对蠕变变形较小，都在30%左右，而且由于采用了FRP板增强技术，使胶合木梁的初始变形也降低了很多.以L3为例，在受拉区配置1层FRP板后，其初始变形降低了27%，50a后的相对蠕变变形降低了80%左右.

4 结论

（1）在低应力水平下，普通胶合木梁蠕变曲线总体上具有比较典型的瞬态蠕变和稳态蠕变变形特征，且蠕变变形趋于一个极限值，而在高应力水平下，其蠕变变形可导致构件破坏，因此，在设计时应合理控制应力水平.

（2）FRP板增强胶合木梁对减少初始变形、控制蠕变变形有很大作用，使用FRP板增强胶合木梁能够充分利用木材强度，对实际工程应用有较大价值.

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