玄武岩纤维复合材料对胶合木梁受弯性能的影响1)

左宏亮 卜大伟 郭楠 何东坡

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

玄武岩纤维复合材料对胶合木梁受弯性能的影响1)

左宏亮 卜大伟 郭楠 何东坡

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

在普通胶合木梁上粘贴玄武岩纤维复合材料，经抗弯试验，检测不同层数玄武岩纤维布和玄武岩纤维板对胶合木梁的增强效果。结果表明：玄武岩纤维复合材料对胶合木梁受弯性能有很好的增强效果；与未增强的胶合木梁相比，受弯极限承载力提高幅度为20.88%～111.25%，抗弯刚度提高幅度为18.7%～27.6%，延性系数提高幅度为23.0%～74.3%。对于玄武岩纤维复合材料配量适中的增强胶合木梁，在受拉区层板破坏的同时，受压区层板出现压屈褶皱，木材抗压强度得到比较充分的发挥，破坏时表现出明显的塑性破坏特征。玄武岩纤维复合材料的存在，能有效降低木材缺陷对胶合木梁受弯性能的不良影响。

胶合木梁；受弯性能；玄武岩纤维复合材料

After Pasting the basalt fiber composite material on ordinary glulam beams, we detected the reinforcing effect of glulam beams strengthened with different layers of basalt fiber sheets or basalt fiber boards by experimental work on flexural behavior. Compared with the unreinforced control beam, the flexural behavior of glulam beams with basalt fiber composite material reinforced were better, the ultimate flexural capacity, flexural stiffness and the ductility coefficient were increased by 20.88%-111.25%, 18.7%-27.6% and 23.0%-74.3%, respectively. For the glulam beams reinforced with a moderate amount basalt fiber composite material, the buckling wrinkles appeared in the compression zone laminates when the tensile area laminates were failure, the compressive strength of timber was obtained with more full use, and the destroyed beams showed characteristics of plastic failure obviously. The existing of basalt fiber composite material can effectively reduce the harmful effects on flexural behavior of glulam beams caused by timber defects.

胶合木结构，具有良好的保温、耐火、抗震及耐久性能，在国内外建筑领域应用较多，以其舒适美观、绿色环保等特点备受关注，成为代替传统木结构的最佳结构形式[1-3]。国内外已有学者对胶合木梁的受弯性能、破坏形态等，进行了研究[4-8]。国外学者，主要在玻璃纤维、钢板、碳纤维等新型材料增强胶合木梁的受弯性能方面进行了研究。国内学者，则研究了碳纤维复合材料增强杨木胶合木梁的受弯破坏形态及破坏机理，并提出了受弯承载力的计算公式及建议配筋范围；也有学者在胶合木梁连接方式方面进行了研究[9]。关于玄武岩纤维复合材料，目前国内已有采用玄武岩纤维复合材料加固木梁的试验研究[10]。

胶合木梁受弯时，发生脆性受拉破坏和变形较大等缺点，使得木材抗压强度不能充分发挥。笔者在普通胶合木梁底部粘贴玄武岩纤维复合材料，进行受弯性能研究。与其他的纤维复合材料相比，玄武岩纤维复合材料成本较低、极限应变大、延性较好，而且具有耐腐蚀性和较强的化学稳定性[11-12]。本研究试验结果，可为进一步探寻新型胶合木梁的受弯性能、增强胶合木梁的推广应用提供参考。

1 材料与方法

采用东北落叶松制作6根普通层板胶合木梁，矩形截面尺寸为50 mm×150 mm，层板厚度25 mm，共6层胶合而成(见图1)，长度2 850 mm(见图2)。为便于比较，设计了1个粘贴1层碳纤维板的试件(见表1)；L2～L6均在距离梁端部75 mm处设置2道宽度为100 mm、净距为100 mm的环形箍，以保证纤维增强材料与木材粘结锚固可靠。

图1 试件横截面(数值单位为mm)

图2 试件侧面(数值单位为mm)

表1 试验梁编号及增强方案

试验梁选用同一批次的木材。按照文献[13]进行胶合木顺纹抗压试验，按照GB/T 1938—2009《木材顺纹抗拉强度试验方法》进行木材顺纹抗拉试验，测得胶合木抗拉强度125.40 MPa、抗压强度52.28 MPa、弹性模量13.4 GMPa。

厚度为0.107 mm玄武岩纤维布、1.2 mm玄武岩纤维板、1.2 mm碳纤维板和粘贴胶体，是由专业生产厂家提供(见表2)。碳纤维胶用于粘贴玄武岩纤维布，粘钢胶用于粘贴玄武岩纤维板和碳纤维板。

表2 增强材料性能指标

采用对称三分点均匀加载的方式，分级进行加载，通过力传感器显示每一级荷载。加载初期，每级荷载以预估极限荷载的10%递增；达到预估极限荷载的50%时后，每级荷载以预估极限荷载的5%递增，直至加载破坏。每加载1次，标记裂缝开展，观察胶合木梁的破坏现象。

量测内容：胶合木梁应变、支座沉降、跨中与加载点位移、胶合木梁底部玄武岩纤维复合材料和碳纤维板应变。试验数据由DH3816N静态应变测试系统采集。

2 结果与分析

2.1 破坏形态及破坏机理

L1～L6在加载前期，胶合木梁处于弹性阶段；当荷载不断增加，挠度不断增大，胶合木梁自身未出现任何现象；当荷载达到极限荷载的75%左右，试件发出木纤维拉断的声音，L3～L6在受压区均出现褶皱现象，之后试件破坏。未增强的胶合木梁，在受拉区底层层板指接处拉断；增强后的胶合木梁，受压区层板能较好地发挥作用。试件破坏形态和破坏机理：

(1)受拉区层板脆断(见图3(a))。对于未增强胶合木梁的试件(L1)，纯弯段受拉区底层层板指接处被拉断，而受压区层板没有任何破坏现象；表现为脆性受拉破坏，破坏时具有突然性。

(2)受拉区层板破坏，玄武岩纤维复合材料轻度剥离(见图3(b))。玄武岩纤维复合材料配量较少的试件(L2)，受拉区层板达到极限拉应变后发生破坏，受压区层板未出现破坏现象；此时玄武岩纤维布有轻微的剥离现象，仍为脆性受拉破坏，这种剥离破坏是由2种材料间不同的弹性模量引起的。

(3)受拉区层板破坏，受压区层板出现压屈褶皱和层板间裂缝，玄武岩纤维复合材料剥离破坏(见图3(c))。玄武岩纤维复合材料配量适中的试件(L3～L5)，受拉区层板首先出现破坏，然后受压区层板出现褶皱和层板间开裂的现象，最后由于受拉区层板拉坏和玄武岩纤维复合材料严重剥离导致整个试件破坏。

此破坏，由受拉区层板的拉坏和受压区层板的压屈共同引起。由于玄武岩纤维复合材料的极限拉应变比胶合木大，所以，玄武岩纤维复合材料虽然与木材剥离，但最终并未破坏。由于试件L4、L5，比L2、L3剥离严重，所以，玄武岩纤维板比玄武岩纤维布更容易发生剥离破坏。

另外，L6破坏时，表现为受压区层板压坏；受拉区层板间出现胶合破坏，且底层层板发生部分劈裂现象。由于碳纤维板具有较大的抗拉强度，所以，碳纤维板本身没有发生破坏，也没有出现剥离破坏。

2.2 荷载—跨中挠度曲线

由图4、表3可见，胶合木梁经玄武岩纤维复合材料和碳纤维板增强后，与未增强的胶合木梁相比：

(1)粘贴2层、4层玄武岩纤维布的试件，极限承载力提高幅度为29.32%、111.25%；粘贴1层、2层玄武岩纤维板的试件，极限承载力提高幅度为20.88%、110.44%；粘贴1层碳纤维板的试件极限承载力提高幅度为115.66%。说明增强胶合木梁的极限承载力，有较大幅度的提高。

(2)试件破坏时，跨中挠度明显增加。L1破坏时，跨中挠度为26.16 mm；L2～L6破坏时，跨中挠度分别为70.60、55.75、83.39、69.85、109.67 mm，提高幅度为113%～319%。说明胶合木梁增强后，变形能力得到提高。

(3)L3、L5的曲线斜率比L1大，说明增强胶合木梁的抗弯刚度有所增大，提高幅度分别为27.6%、18.7%。理论上，经纤维复合材料增强后的试件，刚度会有所增加；但试验中发现，L2、L4、L6的刚度有所降低，这是由于木材本身离散性较大、粘贴质量不好、试验中存在的误差以及试验样本数量较少等因素造成的。

(4)L2～L6延性系数比L1提高，提高幅度为23.0%～74.3%；说明胶合木梁增强后，延性性能得到一定的改善。

图4 荷载—跨中挠度曲线

因为L3、L5采用玄武岩纤维复合材料增强的试件极限承载力，与L6采用碳纤维板增强的试件极限承载力相接近；说明，粘贴4层玄武岩纤维布、粘贴2层玄武岩纤维板的增强效果，与粘贴1层碳纤维板的增强效果近似。考虑材料单价和用量，粘贴玄武岩纤维布比粘贴玄武岩纤维板经济，粘贴玄武岩纤维复合材料比粘贴碳纤维复合材料更经济。

表3 试验极限承载力及延性系数

注：延性系数=构件最大挠度/屈服时挠度。

2.3 荷载—应变曲线

试件L1～L5的跨中位置荷载—应变曲线如图5所示，左侧为受压区，右侧为受拉区。试件从加载开始至胶合木梁破坏的过程中，受压区、受拉区木纤维应变，随荷载的增加先呈线性变化；在加载后期，部分试件出现弹塑性变形，受压区、受拉区木纤维应变呈现非线性变化。L1破坏时，受压区最顶层层板应变为-2.225×10-3；L2～L5破坏时，受压区最顶层层板应变分别为-5.888×10-3、-4.137×10-3、-9.304×10-3、-6.531×10-3。说明胶合木梁经玄武岩纤维复合材料增强后，受压区木纤维的极限压应变有很大提高，木材的抗压强度得到了较好地利用，破坏时塑性破坏特征较为明显，能够克服胶合木梁受弯时抗压强度不能充分发挥的缺点。受拉区层板的极限拉应变一般为5×10-3左右，与L1受拉区层板的极限拉应变(3×10-3)相比，拉应变提高幅度为66.7%；说明玄武岩纤维复合材料的存在，可以提高与其相邻层板的极限拉应变，降低了临近层板缺陷的影响，缺陷处的集中应力传递给了相邻玄武岩纤维复合材料。

2.4 平截面假定的验证

胶合木梁跨中横截面上的应变，基本呈线性分布(见图6)；因此，设计计算这类材料时，可以引用平截面假定。

未增强试件L1的跨中截面中性轴位置，从高度的1/2处向受压区偏移约5 mm；此现象，是由于胶合木梁层板本身木纤维的纹理分布差异、胶合层面、层板缺陷等所致。加载初期，在极限承载力50%以下的范围内，胶合木梁试件的中性轴位置保持不变，均在其梁高的1/2位置处；加载过程中，增强试件L2～L5的跨中截面中性轴位置，从高度的1/2处略向受拉区偏移，说明压区高度有所增长。这是由于，纤维增强材料的弹性模量大于胶合木的弹性模量，所以，导致增强胶合木梁的中性轴向受拉区纤维增强材料一侧移动。

左侧为受压区，右侧为受拉区。

压应变为负值，拉应变为正值。

3 结论

经玄武岩纤维复合材料增强的胶合木梁，随着玄武岩纤维复合材料配量的增加，受压区层板的压应变增大，使得木材的抗压强度得到较充分的发挥，破坏时增强胶合木梁的塑性特征更加明显。

经玄武岩纤维复合材料增强的胶合木梁的受弯承载能力和变形能力均有所提高，其极限承载能力提高幅度为20.88%～111.25%；破坏时，其挠度提高幅度为113%～219%。

经玄武岩纤维复合材料增强的胶合木梁的抗弯刚度和延性性能得到改善；抗弯刚度提高幅度为18.7%～27.6%，延性系数提高幅度为23.0%～74.3%。

针对增强材料而言，应优先选择玄武岩纤维布对胶合木梁进行增强。因为，胶合木梁底部粘贴玄武岩纤维布，比粘贴玄武岩纤维板、碳纤维板更不容易发生剥离破坏，而且粘贴玄武岩纤维布最为经济。

玄武岩纤维复合材料增强胶合木梁，跨中横截面应变基本呈线性分布，在设计计算此类材料构件时可以引用平截面假定。

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Effect of Basalt Fiber Composite on Flexural Behavior of Glulam Beams

Zuo Hongliang, Bu Dawei, Guo Nan, He Dongpo(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(4)：91-95.

Glulam beams; Flexural behavior; Basalt fiber composite material

1)黑龙江省自然科学基金项目(E201217)；住房和城乡建设部科学技术项目(2013-K2-4)。

左宏亮，男，1964年3月生，东北林业大学土木工程学院，教授。E-mail：zhl9163@163.com。

2014年10月14日。

S781.23

责任编辑：张 玉。