GFRP加固泡桐木短柱抗压性能研究

甘结良，黄 升，孙意斌，赵友毅，张 忠

（南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211800）

纤维增强复合材料(fiber-reinforced polymer或 fiber-reinforced plastics，简称 FRP)是纤维材料与基体材料等多种组分的材料通过一定工艺按照一定比例混合制作而成的具有多种形状和规格的一种新型的高性能复合材料。FRP的材料性能随着组分的不同会有很大的差异，目前常应用在结构工程中的 FRP材料主要有碳纤维增强复合材料(CFRP)、玻璃纤维增强复合材料GFRP和芳纶纤维增强复合材料(AFRP)。

GFRP材料有以下优点：（1）高强轻质。GFRP材料的比重在 1.5～2.0之间，相当于普通碳钢的1/5到1/4，而其强度却能达到或超过普通碳钢的水平。柱体结构中采用 GFRP材料约束可以极大地降低其自重，同时极大地提高极限承载力；（2）抗疲劳性能好，耐腐蚀性能高。GFRP材料良好的抗疲劳性能可以有效确保受其约束柱体结构的力学性能的发挥，而它的耐腐蚀性可以有效提高材料在恶劣环境中的力学性能；（3）具有良好的可设计性。FRP产品生产成型方便，可以灵活设计其形状，通过设计时采用不同的纤维，纤维含量和铺陈方向可以制作出各种强度指标，弹性模量以及具有特殊性能要求的FRP产品。

美国Oklahoma州大学Emerson对FRP加固木柱的抗压性能进行了试验研究，研究表明采用FRP环向缠绕加固木柱可提高抗压极限承载力达17%左右[1]。西安交通大学的马建勋试验研究了不同加固方式对木柱抗压性能的影响，并得到采用FRP包裹加固后木柱顺纹的极限承载力可提高18%～33%左右[2]。南京工业大学邵劲松试验研究了FRP环向加固木柱可提高木柱的抗压承载力，其中轴向抗压强度提高达10%～25%[3]。黄山学院曹海用FPR加固木柱，其承载力可提高8.5%～23.2%[4]。

基于国内外在FRP加固柱体结构方面的研究现状，以及对FRP材料的逐渐深入认识，FRP材料的优越性逐渐显现出来，并开始被应用到实际工程中去。本文旨在通过试验，探究泡桐木短柱单独承载力、GFRP空心柱单独承载力以及GFRP泡桐木短柱承载力三者之间的力学性能关系，从验证“组合效应”的角度发现GFRP夹芯柱的抗压力学性能。

1 试验

1.1 试验方法

试验分为3组，第1组为泡桐木短柱、第2组为GFRP空心柱、第3组为GFRP泡桐木短柱。材料泡桐木和GFRP材料的主要性能见表1。第1组构件尺寸如图1。构件整体为一个截面为矩形、内部空心的柱体，外围四面均由 GFRP全包围约束。整个构件的面板为150 mm×400 mm，腹板为50 mm×400 mm，其中GFRP的厚度为5 mm，GFRP内部纤维的排布方式为45°交叉编织。第2组构件为截面尺寸为40 mm×140 mm。第3组试件是在第1组的基础上，在其内部加入与GFRP粘合的泡桐木短柱，如图2所示。

表1 泡桐木与GFRP的力学性能

图1 GFRP空心短柱的尺寸（单位：mm）

图2 GFRP泡桐木短柱的截面尺寸（单位：mm）

1.2 试验过程

GFRP空心柱试验，试验机采用万能试验机。试验前期，于短柱的 1/2处贴上应变片，共 8组，其中面板处3组分为左，中，右3个位置，每个位置处贴有 2个应变片，竖着的应变片用于测量纵向应变，横着的应变片用于测量横向应变，腹板 1/2高处的 2个应变片同理。然后把 GFRP空心短柱置于试验平台上，通过校正使其轴心受力。固定后在其前后面板的 1/2高处分别设置了位移计，用于测量短柱受压后的横向位移，同时还设置了一个纵向的位移计用于测量短柱受压后的纵向位移。

在实验初期，加载后并没有产生什么反应；随着荷载的增加，可以从图3（a）中隐约看见有开裂的迹象，伴随着微弱的“咔嚓”声，最外层的 GFRP材料开始开裂，裂痕是从短柱从上往下大约 1/3处开始的，向两端蔓延，在对面的面板上并未出现裂痕。

荷载继续增加，可以看到，如图3（b）裂痕开始越过 1/2处界限向下蔓延，但是开裂的程度并没有明显增加，只是开裂范围在扩大。我们观察到短柱的上，下半部分的腹板上也开始产生明显的裂痕，存在于边缘位置并向 1/2处蔓延。

当荷载继续增加时，如图3（c）、（d）短柱的同腹板两侧的棱开始剧烈开裂，GFRP被扯断，开裂的形式为分别为从两棱距离两端的 1/3处向上下两端延着棱蔓延，在未完全开裂至两端时，两棱上的裂口呈中心对称。与此同时，在对面的腹板并没有发生剧烈开裂现象，原先加载时出现的裂痕没有进一步开裂。最后，在荷载的作用下，构件失效，腹板两棱完全开裂，此处腹板脱落。

图3 GFRP空心短柱构件件加载过程

GFRP夹芯柱试验过程，试验设置和 GFRP空心柱的一样。随着荷载的增加，可以看到，短柱的上部开始发生变形破坏，产生卷曲，并且折痕在慢慢向下蔓延，四条棱最先有开裂的迹象。短柱的顶部开裂的同时，随着荷载的增加，见图4（a），可以看到在短柱的腰部偏上的棱也大幅开裂破坏，面板和腹板都向外屈曲。荷载的进一步增加，使得短柱彻底膨胀爆裂，最终失效，见图4（b）。图4（c）、（d）为从横截面看短柱的破坏效果，图4（c）中GFRP面板与泡桐木主体剥离；而图4（d）中除了发生剥离破坏外，有一侧发生的破坏迹线成拱形。

图4 GFRP泡桐木短柱构件件加载过程及结果

1.3 试验结果

理论上，GFRP对木材性能的提高主要体现在其环向加固与接触面的变形协调，因此我们分别对矩形截面的泡桐木短柱、GFRP空心柱和 GFRP夹芯柱进行了抗压性能测试，得到每一种试件的横向和纵向应变：在试件上所贴的 8组应变片（每组分横向和竖向两个应变片）中，选取面板中间的应变片所测得的数据进行分析。 但由于应变片的精度和灵敏系数问题，试验中会造成一定的系统误差。查阅资料可知，需要用一个补偿系数ξ修正试验中的输出的应变值。修正后得到的真实的应变如表2～表4所示：

表2 泡桐木短柱的轴力－应变数据

表3 GFRP空心短柱的轴力－应变数据

表4 GFRP泡桐木短柱的轴力－应变数据

表中纵向应变纵的值为负，这是因为试件受到的是轴向压力，其纵向为收缩变形。GFRP泡桐木短柱的数据量要多于单独对每个材料测试的数据。这是因为在实验过程中，若试件破坏，便停止对其加载。

2 结构分析

2.1 应力-应变关系

通过轴向压力F和试件横截面积A，可算出试件轴向应力σ。泡桐木短柱、GFRP空心柱、GFRP夹芯柱的应力—应变关系如图5。

分别对上述3种构件进行分析。

（1）泡桐木短柱的应力应变关系基本上呈线性关系，无明显屈服点。在轴向荷载达到极限时，木材发生瞬间破坏，并无明显征兆。但在轴向压力逐渐增大时，木材的弹性模量有略微的提升。这是因为实验中我们使用的木材是泡桐木，在受到压力前，木材内部纤维之间存在空隙，受到轴向压力后，木材之间的空隙被压紧，其弹性模量略微提高。

（2）GFRP材料的应力应变关系在初期呈线性关系，之后在轴向压力下到达95 kN左右时，材料有不是很明显的屈服过程。之后材料进入强化阶段，受压性能进一步提升。最后发生破坏。分析发现，GFRP材料和钢材的屈服特性有一定的相似性，但又有一定的区别。GFRP材料有一定的韧性，但没有钢材那么明显，介于木材和钢材之间。

(3)GFRP夹芯柱的应力应变关系在受力初期与 GFRP材料相似，在这个时段承受荷载的主要是GFRP材料，但是在达到GFRP材料屈服时的压力时，GFRP夹芯柱并没有发生明显的屈服，其弹性模量几乎没有改变。这时主要受力的是木材。

由此看出，用 GFRP材料加固木材可以适当的克服木材性脆的特点。GFRP加固后的木材既提高了承载力，又保持了相一定的韧性，应力应变变化均匀，虽然也是脆性破坏，但是与泡桐木短柱和GFRP空心短柱相比延性有一定的提高，所以可以用GFRP来加固木材。

图5 各短柱的应力-应变关系

2.2 变形协调分析

木材和GFRP是两种不同的材料。它们的材料性质是不同的。将GFRP包裹在木柱的外面使它们共同受力，两种材料就必须粘结在一起。这样，它们之间就会产生变形协调。我们分别从以下两个方面对木柱与 GFRP的变形协调关系进行分析。

在图5可以看出，泡桐木短柱的变形大，弹性模量较小，而GFRP空心柱的弹性模量大于泡桐木短柱。将木柱和 GFRP空心柱组合在一起成为 GFRP夹芯柱，两种材料之间没有相对滑动，这就要求它们在竖向实现变形协调。通过 GFRP夹芯柱的应力－应变曲线图看出，在相同的应力下，GFRP夹芯柱的竖向变形介于泡桐木短柱和 GFRP空心柱之间。进一步分析发现，开始阶段 GFRP夹芯柱的应力－应变曲线几乎和 GFRP空心柱重合，说明在这个阶段承受压力的主要是GFRP材料。到达一定的应力时，GFRP夹芯柱与 GFRP空心柱的应力－应变曲线开始分开，这时木材的承载力开始体现出来了，两种材料之间产生变形协调。由于发生竖向的变形协调，使得 GFRP夹芯柱的竖向变形要小于泡桐木短柱。用 GFRP材料加固泡桐木短柱，可以减小泡桐木短柱的轴向形变，减少木结构建筑由于变形引起的破坏。一般弹性材料的横向应变和轴向应变的比值为一个常数，这个常数就是泊松比。这是弹性材料的一个重要参数。查阅资料，木材的泊松比一般在 0.05左右，而实验结果中横向应变和轴向应变的比值在 0.36左右，大于理论值，主要原因是实验中使用的泡桐木，泡桐木的孔隙率较大，和一般的木材有差别。

2.3 极限承载力与强度分析

通过分析，分别得到3种材料的受力极限，如表5所示。

表5 3种构件的极限强

从数据中看出，GFRP夹芯柱的强度极限虽不及 GFRP空心柱，但和泡桐木短柱相比提高了许多，而且GFRP夹芯柱的承载力远远高于单独使用泡桐木短柱和 GFRP空心柱的。所以用GFRP材料加强泡桐木短柱，可以改善泡桐木短柱的力学性能，提高强度。

计算泡桐木短柱与 GFRP空心柱极限强度的加权平均数：

其值小于 GFRP夹芯柱的极限强度56.53 MPa，大于泡桐木短柱和GFRP空心柱极限强度的加权平均值，提高了约45%，说明泡桐木短柱和 GFRP空心柱的组合并不是简单地叠加了两部分的承载力，而是将泡桐木短柱和 GFRP空心柱有机的结合成了一个整体，共同作用。

进一步分析可知，承载力的提高主要有以下方面的原因：

（1）泡桐木短柱和 GFRP材料组合，由于泡桐木短柱变形大，在泡桐木短柱与 GFRP的接触面，GFRP对泡桐木短柱产生反向应力，提高泡桐木短柱的轴向承载力；

（2）GFRP对泡桐木短柱环向加固，进一步提高木材的轴向承载力；

（3）泡桐木短柱和 GFRP材料之间“取长补短”，起到了相互促进的效果；

（4）提高的程度大于前人的研究成果，主要是因为本文选用的是短柱。

2.4 GFRP泡桐木短柱截面破坏分析

引入有效约束区与非有效约束区的概念。已有材料表明[5]GFRP加固柱体结构是一种被动的约束。根据Lam的研究成果，将在柱体截面核心区域按约束强度大小分为强约束区和弱约束区。在轴向压力作用下，由于角部受到两个相互垂直方向的拉力作用，其合力沿对角线集中挤压，形成对核心区域的强力约束；同时GFRP为柔性材料，抗弯刚度极小，使结构受到很小的横向约束力，形成对核心区域的弱力约束。在强约束区有两个方向的约束应力相等或相近，使柱体处于实际的三轴应力状态。在弱约束区，垂直于表面的应力很小，使柱体近似处于二轴应力状态。约束应力的分布模型如图6所示，从GFRP夹芯柱截面破坏的试验结果中可看出，在加载的过程中，出现 GFRP剥离破坏，最后是棱上GFRP撕裂，

试件丧失承载力而破坏，这和试验中截面出现拱形破坏迹线是符合的。如图7所示，这表明采用GFRP环向加固时即通过拱作用有效地施加到核心区域，这和试验中出现的面板，腹板的 1/2处剧烈屈曲形变相符合。

图6 GFRP加固主题截面约束图

图7 GFRP加固柱体立面约束图

3 结论

通过实验数据的分析计算，得到GFRP泡桐木短柱强度较泡桐木短柱和GFRP空心柱的加权平均值提高了约45%，具备组合效应。说明GFRP材料在增加泡桐木短柱结构强度方面的优越性。通过试验分析得到，GFRP材料加固泡桐木，可以适当的提高延性，一定程度克服木材脆性的特点。考虑到GFRP材料的高强轻质、可设计性等其他性能，在建材领域可以推广使用GFRP复合材料，以弥补传统建材的缺点，增强抗压性能。同时，可以合理使用于修复期龄较长的木结构建筑延长其使用寿命，通过与传统建材的组合，达到增加结构安全性能的目的。

［1］EMERSON R N.Insitu repair technique for decayed timber piles［C］//Blandford G Structures Congress Nashville：Structures，2004.

［2］马建勋.碳纤维布加固木柱轴心抗压性能试验研究［J］.工业建筑，2005，35（8）：40－44.

［3］邵劲松，刘伟庆.FRP 环向加固木柱轴心受压性能试验研究［J］.南京工业大学学报，2012（2）：52－55.

［4］曹海.FRP 加固木柱轴心受压性能试验研究［J］.齐齐哈尔大学学报，2013，29（4）：74－76.

［5］LAM L，TENG J G.Compressive strength of FRP－con－fined concrete in rectangular column ［J］.FRPCom－posites in Civil Engineering，2001，1：335－343.