预应力FRP增强竹木集成材抗弯性能的初步研究

王希俊，申士杰，靳婷婷，袁 卉，赵书平

（北京林业大学 材料科学与技术学院，木质材料科学与应用教育部重点实验室，北京 100083）

预应力FRP增强竹木集成材抗弯性能的初步研究

王希俊，申士杰，靳婷婷，袁 卉，赵书平

（北京林业大学 材料科学与技术学院，木质材料科学与应用教育部重点实验室，北京 100083）

通过对预应力FRP增强竹木集成材的抗弯实验，研究了不同预应力FRP对集成材抗弯强度、弹性模量及中性轴的影响，实验结果表明：在预应力FRP增强竹木集成材中，30%UTS预应力FRP增强竹木集成材的抗弯强度、弹性模量及中性轴偏移最大，抗弯强度达到73.05 MPa，弹性模量7312.80 MPa，相对于无预应力FRP

增强的竹木集成材中性轴向下偏移1.73 mm。并且集成材在一次破坏后，30%UTS、40%UTS预应力FRP增强竹木集成材承受荷载仅分别下降11%, 18%, 而无预应力FRP增强竹木集成材则急剧下降46.80%。

预应力；纤维增强复合材料；集成材；竹材；抗弯性能

纤维增强复合材料（ fi ber-reinforced polymer，简称FRP）是单向纤维或者纤维布与树脂进行复合而成的一种材料。FRP以高强度、低密度特点应用于工业生产中的各个领域[1]。木材工业中，集成材是高效利用木材的方式之一，但是相对其他建筑材料，集成材的刚度与强度并没有明显优势。

近年来，科研人员研究用FRP增强集成材，取得较大进展[2-4]，并且张鹏翼、陈勇在研究FRP增强集成材力学性能基础上提出了对FRP施加预应力后增强集成材，使得集成材强度得到大大提高[4-5]。但是由于木材的顺纹抗剪强度较小，试验中发现当对FRP施加预应力较大时，集成材中与FRP胶合的木材层板端部发生了劈裂，造成集成材的强度损失。然而研究表明竹材的顺纹抗剪强度为15.2 MPa[6]，远远大于樟子松的4.13 MPa[7]，因此竹材作为缓冲层在FRP与木材之间抵抗FRP预应力对木材的影响。本文将通过对FRP施加不同大小预应力，分析研究预应力FRP增强竹木集成材的抗弯性能，以期能为预应力FRP增强竹木集成材的进一步研究与应用奠定基础。

1 实验材料与设备

1.1 实验材料

樟子松板材：四面刨光，加工尺寸宽厚为50 mm×20 mm，含水率9.55%。大连龙华木业有限公司提供。

竹材：展开毛竹竹材，厚度5 mm，产自福建顺昌县，购买于福建顺昌大庄竹业有限公司。

FRP：玻璃纤维增强环氧树脂复合材料，尺寸规格为50 mm×1.4 mm，购买于南京海拓纤维复合材料有限公司。

胶黏剂：普邦S309单组份聚氨酯胶黏剂，由苏州皇家木业有限公司提供。

1.2 实验设备

射流低温等离子体板材处理机：北京林业大学工程木质复合材料实验室，南京苏曼等离子科技有限公司生产。

集成材拼板机：大连龙华木业有限公司提供。预应力设备：由山东烟台黄海机械提供。

2 实验方法

通过实验测得FRP的平均极限拉伸强度为1 168.20 MPa。为便于计算以及试验中控制FRP的预应力张紧设备，取FRP的极限拉伸强度（UTS）为1 000 MPa。

在制作预应力FRP增强竹木集成材试件时，竹材表面刷涂1%浓度KH550水溶液，涂布量为150 g/m2。室温干燥12小时以上，表面水分挥发后方可使用。木材层板经过目测与打音分等。FRP表面等离子体处理，功率500 W，进给速度2.5 m/min，距焰口距离6 mm。

预应力FRP增强竹木集成材制作时，首先使用预应力设备将FRP张紧，分别张拉至FRP极限拉伸强度（UTS）的0%、10%（100 MPa）、20%（200 MPa）、30%（300 MPa）、40%（400 MPa），然后在木材层板与竹材单面施胶，涂胶量200 g/m2。拼板时竹材的竹青侧与FRP进行胶合，木材与竹黄侧胶合，在拼板机上以1.2 MPa的压力冷压3小时。试件制作完成后，养生3天，然后进行抗弯实验，图1为集成材横截面示意图。每组试件数3个。

图1 FRP增强竹木集成材的组坯示意图Fig.1 Sketchmap about the group way of glulam strengthened by FRP

集成材抗弯性能的测试试验依据GB/T 26899-2011 《结构用集成材》，集成材总长为梁高的22倍；抗弯实验采用四点弯曲检测标准，上跨距为梁高的4倍，下跨距为梁高18倍。依据FRP增强竹木集成材的特点，弯曲强度测试时，需将FRP靠近的一侧向下放置。采集加载过程中载荷、挠度及各层板应变数据，应变片粘贴在集成材每层层板及FRP的中点处，绘制载荷与挠度的曲线。

图2 不同预应力FRP增强竹木集成材的抗弯强度Fig.2 The flexure strength of glulams strengthened by prestressed FRP

3 结果与讨论

3.1 抗弯强度及弹性模量

所有抗弯破坏试件的破坏形态都是在抗拉侧破坏，实验中无缺陷抗压侧出现的形变并没有引起荷载与挠度的明显变化，因此试件抗拉侧破坏是导致试件破坏、丧失承载能力的最主要原因。从图2，图3分析，对FRP施加30%UTS预应力增强的竹木集成材荷载最大。并且随着预应力从0至30%UTS增大，预应力FRP增强竹木集成材抗弯强度、弹性模量总体上呈增大趋势。30%UTS预应力试件的抗弯强度达到73.05 MPa，弹性模量7 312.80 MPa，而无预应力增强竹木集成材抗弯强度为70.71 MPa，弹模6 802.61 MPa。可以断定预应力FRP对提高材料的抗弯强度及刚度起到了积极的作用。

虽然木材层板经过分等，但通过对破坏试件分析， 10%UTS，20%UTS预应力FRP增强竹木集成材上层层板的节子在压头附近有压溃现象，20%UTS预应力试件达到最大荷载、下层板破坏时，跨中竹材有脱指接现象，这可能是导致在10%UTS，20%UTS预应力试件抗弯强度与弹性模量不符合总体趋势的原因。40%UTS预应力FRP增强竹木集成材由于预应力过大，FRP与竹材之间界面承受的剪力较大，可能造成界面的损伤，从而不利于应力的传递，整体表现为强度及弹性模量的降低。

图3 不同预应力FRP增强竹木集成材的弹性模量Fig.3 The elasticity modulus of glulams strengthened by prestressed FRP

图4 不同大小预应力FRP增强竹木集成材中性轴位置Fig.4 The results of neutral axis of glulams strengthened by prestressed FRP

3.2 中性轴位置

预应力FRP增强竹木集成材在不同大小预应力下，在弹性范围内，抗弯试件的各层应变呈现完全的线性关系，因此预应力FRP增强竹木集成材满足平截面假定。从图4分析，当FRP预应力为0时，中性轴的位置在58.7 mm处，相对于横截面几何中心位置55.7 mm中性轴发生向下偏移，当FRP预应力为30%UTS时，集成材的中性轴位置在60.43 mm处，相对于无预应力FRP增强的竹木集成材偏移1.73 mm。因此这也表明对FRP施加预应力后，FRP的增强效果增强，对抵抗材料的整体变形贡献变大。

3.3 挠度与荷载关系

预应力FRP增强竹木集成材在弯曲实验中有较理想的弹性曲线，但常常没有明显的塑形变形阶段。在集成材几乎达到弹性极限荷载同时，集成材的下层板出现拉伸破坏；这是预应力FRP、竹材与木材共同作用的结果。当下层板木材达到塑形变形阶段时，预应力FRP与竹材仍然在弹性范围内，荷载增大时，使得集成材整体弹性曲线延长直至下层板木材破坏。从图5，图6可以看出，无预应力FRP增强竹木集成材，在下层板破坏后荷载急剧下降46.80%，而随着预应力的增大，荷载下降的幅度总体呈现下降趋势。30%UTS、40%UTS预应力FRP增强竹木集成材在一次破坏后，承受荷载仅下降11%，18%。这也表明预应力FRP增强竹木集成材在一次破坏后，仍然具有较高的荷载承载能力；这对于建筑物因外力受到破坏，保持建筑物不发生坍塌，为幸存者提供逃生时间有着非常重要的现实意义。

图5 不同大小预应力FRP增强竹木集成材的挠度与荷载曲线Fig. 5 Diagram of the de flection and the load of glulam strengthened by prestressed FRP

图6 预应力FRP增强竹木集成材一次破坏后的荷载下降率Fig.6 Rate of load decrease of glulam strengthened by prestressed FRP after the fi rst destruction

4 结 论

通过对预应力FRP增强竹木集成材进行抗弯实验，研究了对FRP施加大小为0、10%UTS、20%UTS、30%UTS及40%UTS预应力对集成材抗弯性能的影响，得到如下结论：

（1）在FRP不同大小预应力条件下，30%UTS预应力FRP增强竹木集成材的抗弯强度及弹性模量最大，抗弯强度达到73.05 MPa，弹性模量7 312.80 MPa。

（2）预应力FRP增强竹木集成材符合平截面假定，且当FRP预应力为30%UTS时相对于无预应力FRP增强的竹木集成材中性轴向下偏移1.73 mm。

（3）预应力FRP增强竹木集成材没有理想的塑形变形阶段，在一次破坏后，无预应力FRP增强竹木集成材则急剧下降46.80%，而30%UTS、40%UTS预应力FRP增强竹木集成材承受荷载仅下降11%，18%，保有更高的荷载承载能力。

通过对预应力FRP增强竹木集成材抗弯性能的初步研究，得到FRP预应力在30%UTS左右时较为理想，但是由于木材的变异性大等原因，对实验结果规律性造成一定影响，因此还需对预应力FRP增强竹木集成材的力学性能做进一步研究。

[1]Kadykova Y A, Artemenko S E, Vasil'Eva O V,et al.Physicochemical Reaction In Polymer Composite Materials Made From Carbon, Glass, And Basalt Fibers[J]. Fibre Chemistry, 2003, 35(6): 455-457.

[2]李允峰.玄武岩纤维增强结构用集成材的研究-单组份聚氨酯胶合工艺技术的研究[D].北京:北京林业大学,2009.

[3]翟志文.落叶松集成材/BFRP胶合工艺研究[D].北京:北京林业大学,2010.

[4]张鹏翼.玄武岩纤维增强结构用集成材的力学性能研究[D].北京: 北京林业大学, 2012.

[5]陈 勇.BFRP增强结构用集成材的试验与有限元分析[D]. 北京:北京林业大学, 2013.

[6]赵雪松, 王喜明, 塔 娜, 等. 基于ANSYS软件的竹材曲面受压过程分析[J]. 内蒙古农业大学学报: 自然科学版, 2009,30(1): 224-228.

[7]李雪梅. 基于有限元法木材力学性能模拟及优化设计研究[D].呼和浩特: 内蒙古农业大学, 2009.

Preliminary study on bending property of wood-bamboo structural glulam reinforced by prestressed FRP

WANG Xi-jun, SHEN Shi-jie, JIN Ting-ting, YUAN Hui, ZHAO Shu-ping
(MOE Key Laboratory of Wooden Material Science and Application, College of Materials Science and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

According tobending experiments of wood-bamboo structuralglulam reinforced by prestressed FRP, the influence of prestressed FRP on bending strength, elastic modulus and the neutral axis was studied. The experimental results are as follows: bending strength, elastic modulus and the shift of neutral axis of wood-bamboo structuralglulam reinforced by prestressed FRP with 30% of ultimate tensile strength(UTS) are most. In addition,they are respectively 73.05MPa, 7312.80MPa, 1.73mm compared with gulam with no prestressing. What’s more, after the fi rst destruction, the load of wood-bamboo structuralglulam reinforced by prestressed FRP with 30% ,40% of UTS respectively declines11%，18% instead of 46.80% of glulam with no prestressing.

prestressing; FRP; gulam; bamboo; bending property

S781.21

A

1673-923X(2016)04-0116-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.04.021

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-11-12

国家林业局引进国际先进林业科学技术计划（“948”计划）项目“高强度纤维增强木质复合材料制造技术引进”（2012-4-20）

王希俊，硕士研究生

申士杰，教授，硕士研究生导师；E-mail：shijies@263.net

王希俊，申士杰，靳婷婷，等. 预应力FRP增强竹木集成材抗弯性能的初步研究[J].中南林业科技大学学报，2016,36(4): 116-119.

[本文编校：吴 彬]