碳纤维布层数对榫卯接长木梁抗弯性能影响的试验研究

代庭苇，季 韬，张 鹰，庄一舟

(1．福州大学土木工程学院，福建福州 350116;2．福州大学建筑学院，福建福州 350116)

0 引言

由于木材自身的材性缺陷、外界环境的影响及作用荷载的改变，木结构会出现大量的损坏，从而需要频繁地进行修复和补强．传统的古建筑木结构加固方法有嵌补法、剔补法、下撑式拉杆加固梁、夹接、托接法和更换新构件法等［1］，这些方法通常引入扁钢或铁箍进行加固，会破坏木结构原貌，并带来新的锈蚀问题．近年来，在古建筑木结构的加固中，引入了纤维增强复合材料(FRP)，由于其具有轻质高强、耐腐蚀、耐久性好、易于剪裁、施工性好等优点，在木结构加固修复领域得到了广泛的应用［2］．

20世纪60年代起，国外的研究者Wangaard［3］率先对玻璃纤维增强复合材料(GFRP)加固木梁进行了试验研究．之后，Plevris等［4］、Gilfillan等［5］、张大照［6］通过CFRP布加固木梁抗弯性能试验，得到CFRP布能显著改善原木梁的性能以及大幅度提高木梁的抗弯承载力的结论;张莉［7］、姬卓［2］、马建勋等［8］、谢启芳［9］通过试验研究了粘贴不同层数的碳纤维布对矩形木梁抗弯性能的影响，结果均表明，经CFRP布加固后木梁的抗弯承载力大约提高20%，极限承载力、延性和刚度方面，双层加固的提高幅度高于单层加固，同时随着碳纤维布层数的增加，碳纤维布的工作效率会降低．

针对实际工程古建筑木结构中梁端腐朽亟待维修的现状，提出一种新的维修方法，即将梁两端已腐朽的部分锯掉，用两段新木材与原中间段木材通过榫卯的形式进行接长，接长后的长度与原木梁相等，之后在接长节点处粘贴碳纤维布(CFRP)进行加固，并研究不同碳纤维布(CFRP)层数对加固榫卯接长木梁抗弯承载力的影响．

1 试验

1．1 试件的设计与制作

本次试验共设计了5个试件，均为圆形截面，直径d=130 mm，长度L=2 000 mm，净跨L0=1 800 mm，各试验梁具体参数及加固方案见表1．燕尾榫样式见图1，加固方案见图2．

表1 试验梁参数Tab．1 Test beam parameter Ds

图1 榫卯样式(单位:mm)Fig．1 Tenon style(unit:mm)

图2 试件加固方案(单位:mm)Fig．2 Specimen reinforcement scheme(unit:mm)

1．2 木材的材料性能

按GB 1927～1943－09《木材物理力学性能试验方法》［10］执行，测得木材的主要力学性能指标见表2．

表2 木材主要性能指标Tab．2 Key performance indexes of wood

1．3 加固材料指标

CFRP布性能指标见表3，粘结剂的性能指标见表4．

表3 CFRP布性能指标Tab．3 Performance indexes of CFRP sheet

表4 粘结剂性能指标Tab．4 Performance indexes of binder

2 试验方案

2．1 加载方案

试验在福州大学结构实验室进行，加载方式为液压千斤顶手动加载，千斤顶置于荷载分配梁上，再通过钢垫板将荷载传递到试验梁上，从而实现两点集中加载．根据GB/T 50329－2012《木结构试验标准》［11］，整个加载过程采用逐级加荷方式，先进行预加载(即先加载至2 kN，而后卸载)，确认每项仪器正常运行，而后再从0开始每级加载3 kN，每级稳定2．5 min，待开始有响声后，每级加载改为1～2 kN，直至破坏．

2．2 量测方案

试验测量内容为:梁跨中位移、支座沉降、加载点位移、跨中截面木纤维应变，观察和记录木梁的破坏情况．各试验梁沿梁长共设置5个位移计，沿各试件跨中截面高度均匀布置5个应变片，应变片的数据通过DH3816静态数据采集仪进行采集．试件加载装置及测点布置见图3，应变片用粗短线表示．

图3 试件加载装置及测点布置(单位:mm)Fig．3 Specimen loading device and measuring points(unit:mm)

3 试验结果及分析

3．1 主要试验结果

试件L1，当F=18 kN时，木梁右端开始有微裂响声发出，原始裂缝开始开展，裂缝宽度变大;之后每级加载时均会有响声发出，当F=46 kN时，右边突然一声大响，跨中靠近右边处拉开一齿状片;当F=52 kN时，跨中一条大裂缝，原齿状片木材严重起鼓．为保护仪器和设备的安全，停止进一步加载，L1为弯曲破坏，破坏形态见图4．

试件L2，采用吊篮进行砝码逐级加载，加载过程逐渐有拔榫现象，当F=1．10 kN时，右边榫卯处突然全部拔出，破坏形态见图5．

图4 试件L1破坏形态Fig．4 Failure modes of specimen L1

图5 试件L2破坏形态Fig．5 Failure modes of specimen L2

试件L3，当F=18 kN时，开始有微裂响声发出;加载过程中，时常有大响发出，ω跨中=11．6 mm，F=30 kN时，左边一声大响，有一条较大宽度的裂缝产生;F=32 kN时，左边褶皱厉害，响声不断，ω跨中=24 mm，F=34 kN时，左边一声巨响，梁底拉开，梁侧面CFRP布撕裂开，ω跨中=24．5 mm．试验结束后，将接长节点处所粘贴的碳纤维布打磨开，可量得其拔榫尺寸为3 mm，这是由于当CFRP与木梁剥离后，失去了加固作用，使得榫卯连接处开始拔榫．

试件L4，当F=24 kN时，左边一声脆响，ω跨中=18．6 mm，F=31 kN时，左边CFRP布开始剥离;F=33 kN时，左边一直有响声发出，紧接着突然一声大响，CFRP布出现严重剥离现象，ω跨中=24．6 mm．试验结束后，将接长节点处所粘贴的碳纤维布打磨开，可量得其拔出尺寸为3 mm．

试件L5，当F=21 kN时，左边有微响，ω跨中=15．1 mm;加载过程时有清脆响声发出;F=32 kN时，右边一声巨响，右边碳纤维布剥落开，ω跨中=23．8 mm．试验结束后，将接长节点处所粘贴的碳纤维布打磨开，可量得其拔出尺寸为5 mm．

试件L3～L5的破坏类型一样，破坏形态相近如试件L4的破坏形态见图6，各试件的试验结果见表5．

图6 试件L4破坏形态Fig．6 Failure modes of specimen L4

表5 试验结果Tab．5 Test results

3．2 剥离破坏机理分析

在木梁的受弯静力试验中，经CFRP布加固后的试件L3～L5，均发生了CFRP布剥离破坏，从而导致加固梁在达到截面弯曲破坏极限承载力之前过早发生破坏．从试验现象可知，CFRP布从靠近加载点的端部开始出现CFRP布与木材之间的剥离，破坏时CFRP布上粘附有少量木材，说明此处CFRP布与木梁之间的粘结应力超过了其粘结强度［12－13］，因此，建议在后续研究中增加CFRP布的粘结长度，降低CFRP布与木梁之间的粘结应力，以避免CFRP布与木梁的脱粘剥离破坏．

3．3 抗弯承载力分析

1)比较试件L3～L5与试件L2，未经CFRP布进行加固的试件L2，其抗弯承载力很低仅为1．1 kN，而经CFRP布进行加固后的试件L3～L5，其抗弯承载力明显得到提高，提高至未加固前的29．1～30．9倍;比较试件L3～L5和试件L1，可知榫卯接长木梁经CFRP布加固后，其抗弯承载力可提高至原木梁L1的61．5% ～65．4%，说明这些加固方案有效．

2)比较试件L3～L5，三根试件的区别在于与木梁长度方向平行的碳纤维布层数分别为1层、2层和3层，各试件的抗弯承载力分别为34、33和32 kN，数值相近;试件L3～L5均是发生CFRP布与木梁之间的剥离破坏，而不是CFRP布被拉断，根据谢启芳、张莉等人［7，9］的研究成果可知，CFRP布的层数越多厚度越大，则CFRP布与木梁之间的最大界面应力也越大，则在CFRP布锚固长度不够的情况下，增加碳纤维布厚度，也不能进一步提高木梁的极限承载力．

3．4 中和轴高度

木梁跨中截面－应变曲线见图7．从图7可知，木梁的应变沿截面高度的分布呈线性关系，因此在计算时可认为中性轴的位置仍在梁高的1/2处，符合平截面假定．除试件L2外其余各试件受弯时，中性轴的位置从梁高的1/2处略微向受拉区偏移，这与Johns［14］的试验结果相一致．分析其原因主要是由于木材顺纹抗压强度比顺纹抗拉强度低很多，从而木梁受压区会更早进入塑性状态，随着受压区塑性范围的增大，中和轴逐渐向受拉区移动，试件L1、L3～L5的中和轴从加载至试验结束，分别下移了3．34、1．34、1．47 和1．44 mm．

图7 截面－应变曲线Fig．7 Section － strain curve

3．5 跨中挠度、刚度、能量吸收能力

各试件荷载－跨中挠度曲线见图8，在加载初期各试件处于弹性阶段，荷载－跨中挠度曲线都呈线性，试件L1在加载后期进入塑性阶段，曲线斜率变小刚度减小，挠度增长加快，破坏前挠度很大．

图8 荷载－跨中挠度曲线Fig．8 Load － deflection curves

各试件荷载－跨中挠度曲线特征值见表6．由表5可得，试件L3～L5的抗弯承载力非常相近，加固后木梁的抗弯承载力分别达完整木梁L1的65．4%、63．5%和61．5%;由表6可得，荷载－跨中挠度曲线与横轴所包围的面积，A3＞A4＞A5，通过面积大小来评定其能量吸收能力，则经加固后的试件L3～L5其能量吸收能力分别提高至完整木梁L1的29．58%、27．58%和26．42%(即表6中的面积比);荷载－跨中挠度曲线的原点切线斜率，K5＞K3＞K4，且其刚度分别提高至完整木梁L1的78．82%、75．88%和85．88%(即表6中的斜率比)．试件L3～L5区别于与试件梁轴平行的CFRP布层数，分别为1层、2层和3层，通过上述比较可知三者的数值均较为接近，可见CFRP布层数变化对榫卯接长木梁加固后的抗弯承载力、能量吸收能力和刚度影响不大．

表6 荷载－跨中挠度曲线特征值Tab．6 Characteristic values of load －deflection curves

4 结论

1)榫卯接长木梁粘贴CFRP布进行加固后，其抗弯承载力明显得到提高，提高至未加固前的29．1～30．9倍，可达到原木梁(未加工过的完整木梁)的61．5% ～65．4%．

2)木梁截面应变基本呈线性关系，符合平截面假定．在加载后期，受压区木纤维逐渐进入了塑性状态，受压区高度增大，中性轴向受拉区移动．

3)由于碳纤维布与木梁之间发生剥离破坏，此时增加平行于梁轴方向的碳纤维布层数对榫卯接长木梁的抗弯承载力、能量吸收能力和刚度的影响不大．当与梁轴平行的CFRP布粘贴层数，分别为1层、2层和3层时，榫卯接长木梁加固后的抗弯承载力分别可达完整木梁的65．4%、63．5%和61．5%，能量吸收能力分别达完整木梁的29．58%、27．58%和26．42%，刚度分别达完整木梁的78．82%、75．88%和85．88%．

4)为了避免发生碳纤维布与木梁的剥离破坏，在后续研究中将开展以平行于木梁轴线方向碳纤维布长度为变化参数的研究．