不同预应力CFRP增强结构用集成材抗弯性能研究∗

陈暑冰 申士杰 范诒杰 吴 睿 罗 文

纤维增强复合材料（Fiber-reinforced Polymer,简称FRP）是由单向纤维或纤维布与树脂复合而成的一种材料[1]，具有高强、质轻、比模量大等优点，被广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域[2]。常用的纤维增强复合材料有：碳纤维增强复合材料（CFRP）、玻璃纤维增强复合材料（GFRP）、玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）等。其中CFRP的密度仅为钢材的1/5，比GFRP还轻；其比强度是GFRP的2倍左右，高强度钢、超硬铝的4倍左右；其比模量是上述材料的3倍以上。此外，CFRP还具有耐疲劳、抗蠕变、耐高温、耐腐蚀等优良特性[3]。

结构用集成材是以承重为目的，将按等级区分的层板（可指接、斜接或拼板）沿纤维方向相互平行，在厚度方向层积胶合而成的结构用材[4]。结构用集成材能够有效减小木材本身节子、裂纹等缺陷对其力学性能的影响，实现小材大用，劣材优用[5]。但是结构用集成材本身也存在一些缺陷，例如，指接位置强度较低，弯曲时挠度过大等。这些缺陷都限制了结构用集成材的使用，并且结构用集成材的弯曲破坏形式大都是底部脆性拉伸破坏，使得木材抗压能力得不到充分发挥。因此，研究人员考虑用其他材料增强结构用集成材，例如在集成材中添加FRP、钢筋等增强材料，利用这些材料的高抗拉强度提高结构用集成材的弯曲性能[6-8]。研究发现单纯使用FRP、钢筋等增强集成材可以在一定程度上提高结构用集成材的弯曲性能，但效果并不太明显，并且增强材料的性能也得不到充分发挥[9-11]。因此研究人员进一步对增强材料施加预应力来增强结构用集成材。通过施加预应力可以使集成材产生一定的反拱，进而提高集成材的弯曲性能，同时也使FRP、钢筋等增强材料的性能得到更充分的发挥。Peterson[12]提出对金属材料施加预应力的方法增强集成材木梁。但金属材料较FRP有明显的不足，例如金属材料抗拉强度远远小于FRP，且金属材料比重小，易腐蚀，稳定性不如FRP。研究表明通过对FRP施加预应力可以显著提高集成材木梁的极限承载力、抗弯强度，并且使集成材木梁的破坏形式由脆性拉伸破坏转变为受压延性破坏[13-15]。由于FRP的抗拉弹性模量远大于木材的抗拉弹性模量，因此用FRP增强结构用集成材时需要解决FRP与木材的锚固问题[15]。单纯使用胶合锚固的方式，不适合对FRP施加较大的预应力，因为预应力施加过大会导致FRP与木材层板分层剥离，甚至可能使木材层板端部劈裂[17-18]。但是预应力施加量过小增强效果不明显。因而，该实验采用了胶合和机械锚固相结合的方式，以确保对CFRP施加较大预应力的情况下，木材与CFRP不出现分层剥离和木材层板剪切破坏的现象；通过对CFRP施加不同的预应力，分析不同预应力施加量对CFRP增强结构用集成材抗弯性能的影响，为进一步研究和应用预应力CFRP增强结构用集成材奠定基础。

1 实验材料与设备

1.1 实验材料

木材层板：美国花旗松（Pseudotsuga menziesii），产地加拿大，密度为0.54 g/cm3，含水率为11.12%，大连龙华木业有限公司提供。根据GB/T 1938—2009 《木材顺纹抗拉强度试验方法》、GB/T 1935—2009《木材顺纹抗压强度试验方法》和GB/T 26899—2011《结构用集成材》分别测得木材层板的抗拉强度、抗压强度、抗弯强度和抗弯弹性模量，数据见表1。

表1 花旗松物理力学性能Tab.1 Mechanical properties of Douglas fir

CFRP：带锚具的CFRP片材，尺寸规格5 780 mm×50 mm×1.4 mm。性能参数由厂家提供，拉伸强度2 571 MPa,伸长率0.42%，弹性模量542 GPa。

胶黏剂：瑞士普邦单组份聚氨酯HB S309，大连龙华木业提供。

HMR偶联剂：自行配置，各组分质量占比为：去离子水90.43%、间苯二酚3.34%、37%的甲醛溶液3.79%、氢氧化钠2.44%。

1.2 实验设备

射流低温等离子体板材处理机（南京苏曼等离子科技有限公司）；

JHBH-18T型荷重传感器（江苏省仪表厂）；

裁边锯、压刨机、四面刨、推台锯、立式拼板机、预应力施加装置（烟台黄海木工机械有限公司）；

IMC动态数据采集系统（64通道，德国imc集成测控有限公司）；

YHD-120型位移计（江苏省仪表厂）；

120欧姆电阻应变片（中航工业电测仪器有限公司），长100mm；

AG-IS 100kN万能力学试验机（日本岛津公司）。

2 实验方法

2.1 实验方案

实验通过对CFRP施加不同的预应力，分析不同预应力下结构用集成材的抗弯性能。根据CFRP生产厂家提供的性能参数及使用说明，CFRP使用时的最大拉伸强度应控制在其极限拉伸强度的70%以内。因此实验中对其最大预应力施加量设为120 kN，即66%的预应力施加量。根据理论分析以及前人研究：在保证FRP与木材不发生剪切破坏的情况下，预应力越大，集成材木梁反拱越大，增强效果越明显。因此实验取120 kN为最大预应力施加量，并向下取105、90 kN两个预应力值，表2为具体的实验组设置。

表2 实验组设置Tab.2 Experimental group settings

2.2 结构用集成材制备与性能检测

花旗松板材经压刨、裁边、指接、四面刨光等工序制成5 760 mm×50 mm×32 mm规格的层板。然后依次用射流低温等离子体和HMR偶联剂处理与CFRP胶合的木材层板，以提高木材表面活性，增强木材与CFRP的胶合强度。等离子体处理工艺为：处理速度2.5 m/min，等离子体射频功率400 W，处理5次，喷枪距木材层板表面10mm。HMR偶联剂涂布量为150 g/m2，涂布后的层板需静置24 h，待木材层板表面水分完全蒸发后方可使用。按图1方式进行组坯胶合（集成材层板数为9），根据实验方案施加预应力，每个试验组制备3个试件。层板单面涂胶，涂胶量180 g/m2，压力1.2 MPa，压合时间90 min。

图1 预应力CFRP增强结构用集成材示意图Fig.1 Diagram of prestressed CFRP reinforced glulam

依据GB/T 26899—2011检测结构用集成材的抗弯性能。采取四点弯曲方法进行检测，下跨距为集成材高度的18倍，即5 184 mm，两加载点距离为集成材高度的4倍，即1 152 mm，加载速度13 MPa/min。在结构用集成材各层板的中间位置粘贴应变片，用IMC数据采集系统、位移计采集加载过程中各层板的应变数据以及结构用集成材的挠度。

3 实验结果及分析

表3 抗弯实验结果Tab.3 Bending test results

表3为结构用集成材抗弯实验结果。分析表3可知，随着预应力的增加，集成材木梁的极限荷载、抗弯强度与抗弯弹性模量显著增大。施加50%预应力时，极限荷载较未增强木梁提高了15.8%，抗弯强度提高了38.5%，抗弯弹性模量提高了23.9%；施加58%预应力时，极限荷载较未增强木梁提高了36.8%，抗弯强度提高了63.8%，抗弯弹性模量提高了57.2%；施加66%预应力时，极限荷载较未增强木梁提高了51.8%，抗弯强度提高了81.7%，抗弯弹性模量提高了70.5%。

3.1 破坏形式与破坏机理

图2为预应力CFRP增强结构用集成材在加载过程中的三种破坏形式。未增强结构用集成材在加载过程中，受拉区木材纤维达到极限拉应变而破坏，表现为脆性拉伸破坏形式，破坏具有突然性。这是由于木材本身具有节子、斜纹等天然缺陷以及木材层板的纵向指接导致木材层板的抗拉强度低于抗压强度，因此未增强结构用集成材表现为受拉区脆性拉伸破坏。预应力CFRP增强结构用集成材在加载过程中表现的三种破坏形式为：a）结构用集成材底部层板首先拉伸破坏，但此时集成材仍能够继续承载。继续加载，受拉区CFRP、受拉区木材和受压区木材共同承载。最终结构用集成材因受拉区木材拉伸破坏而失效，此时受压区木材出现部分压溃。出现这种现象的主要原因可能是预应力施加不足。b）底部层板首先拉伸破坏，后集成材木梁中部发生剪切破坏，同时受压区木材出现部分压溃。c）底部层板断裂后，继续加载，致使集成材受压区木材压溃破坏而失效。通过对CFRP施加预应力，致使结构用集成材弯曲破坏形式发生了改变，由脆性拉伸破坏转变为延性压缩破坏。由于CFRP具有很高的抗拉强度，检测过程中并未出现CFRP断裂的现象。同时检测过程中所有试件均未出现CFRP与木材分层剥离的现象，这证明胶合和机械锚固相结合的方式起到了很好的锚固作用。

图2 破坏形式Fig.2 Failure mode

3.2 荷载与挠度的关系

图3为各实验组典型的荷载-挠度曲线。从图分析可知，预应力CFRP增强结构用集成材较未增强结构用集成材延性系数明显提高，并且经预应力CFRP增强后极限荷载有显著增大。W组未增强集成材在达到极限荷载后，承载能力急剧下降，而预应力CFRP增强集成材在部分木材破坏后仍具有较强的承载能力。这说明预应力CFRP增强结构用集成材具有更加优异的预警机制，在使用中更加安全。并且在承受相同荷载的情况下，预应力CFRP增强结构用集成材的挠度变形更小，并且随着预应力的增加，挠度变形呈减小趋势。这是由于预应力的增加使集成材产生的反拱增大，进而能够抵消更多的荷载。这也表明：通过对CFRP施加预应力增强结构用集成材的方式，可以改善结构用集成材受弯时挠度过大的现象。

图3 荷载-挠度曲线Fig.3 Load-deflection curve

3.3 中性轴位置变化

图4 跨中截面沿高度方向（梁顶部至底部）应变分布Fig.4 Strain distribution along the high direction(top to bottom) of the cross section

图4为各实验组跨中截面沿高度方向（梁顶部至底部）应变分布曲线。其中拉应变为正，压应变为负。图中预应力CFRP增强结构用集成材跨中截面应变基本呈线性分布。并且随着荷载的增加，中性轴位置保持不变。图4b中40 kN折线出现明显偏离是因为此时集成材底部层板拉伸破坏。因此可以确定预应力CFRP增强结构用集成材基本符合平截面假定。由图4可知，未增强结构用集成材中性轴位于距梁顶部144 mm处，即在梁体几何中性轴位置。施加50%、58%、66%预应力时，集成材木梁中性轴分别位于距梁顶部148、149、156mm处，相对于未增强结构用集成材木梁的中性轴位置分别向下偏移了1.4%、1.7%、4.2%（偏移量=偏移绝对值/梁高×100%）。分析可知，通过施加预应力的方式可以使结构用集成材中性轴向下偏移，并且随着预应力的增加，偏移量增大。这进一步证明预应力CFRP增强结构用集成材能够更加充分地利用木材的抗压能力。

3.4 荷载与应变的关系

图5为结构用集成材各层板的荷载-应变曲线，图例h-x mm表示应变片到集成材木梁顶部的距离，例如h-15mm表示此应变片距集成材木梁顶部15 mm。未增强集成材木梁与预应力CFRP增强集成材木梁的各层板应变随荷载的增加基本呈线性变化。CFRP预应力越大，集成材承受荷载时各层板的应变差异越小，各层板的受力也就越接近。分析图5可知：集成材木梁弯曲时，施加50%与58%预应力的集成材木梁较未增强木梁，梁体截面受压区域有小幅增大。当施加66%预应力时，部分层板由受拉转变为受压，使梁体截面受压区域明显增大。这说明施加合适的预应力能够显著增大集成材木梁的受压区域，进而充分利用木材的抗压能力，提高木材的利用率。

图5 荷载-应变曲线Fig.5 Load-strain curve

4 结论

通过对预应力CFRP增强结构用集成材进行实验，研究了不同预应力CFRP对结构用集成材抗弯性能的影响，得出以下结论：

1）通过对CFRP施加预应力可以使结构用集成材的弯曲失效模式由受拉区脆性拉伸破坏转变为受压区延性压缩破坏。

2）预应力CFRP增强结构用集成材的延性系数较未增强结构用集成材显著提高，并且预应力CFRP增强结构用集成材可以改善普通结构用集成材受弯时挠度过大的现象。

3）CFRP增强结构用集成材较未增强结构用集成材，极限荷载、抗弯强度和抗弯弹性模量显著增大。当施加66%预应力时增强效果最为明显，此时CFRP增强结构用集成材极限荷载、抗弯强度、抗弯弹性模量分别较未增强结构用集成材提高了51.8%、81.7%、70.5%。

4）预应力CFRP增强结构用集成材符合平截面假定。并且施加预应力使结构用集成材中性轴位置向下偏移。当施加66%预应力时，中性轴向下偏移达到4.2%，使集成材木梁受压区域明显增大。

实验证明通过施加预应力的方式可以显著提高集成材的抗弯性能，使木材的抗压能力得到充分的利用，提高木材的利用率，并且预应力越大增强效果越明显。

[1] 王晓强, 朱锡, 梅志远. 纤维增强复合材料抗侵彻研究综述[J]. 玻璃钢/复合材料, 2008(5):47-56.

[2] 秦文贞, 于俊荣, 贺建强, 等. 纤维增强复合材料界面剪切强度及界面微观结构的表征[J]. 高分子通报, 2013(2):14-22.

[3] 许丽丹, 王澜. 碳纤维增强树脂基复合材料的应用研究[J]. 塑料制造, 2007(Z1):81-85.

[4] GB/T 26899—2011 结构用集成材[S].北京:中国标准出版社, 2011.

[5] 张金菊, 申世杰. 集成材概述[J]. 木材加工机械, 2006, 17(2):43-47.

[6] Yang H, Liu W, Lu W, et al. Flexural behavior of FRP and steel reinforced glulam beams:Experimental and theoretical evaluation[J].Construction & Building Materials, 2016, 106(5):550-563.

[7] Borri A, Corradi M, Grazini A. A method for flexural reinforcement of old wood beams with CFRP materials[J]. Composites Part B Engineering, 2005, 36(2):143-153.

[8] Raftery G M, Rodd P D. FRP reinforcement of low-grade glulam timber bonded with wood adhesive[J]. Construction & Building Materials, 2015,91(August):116-125.

[9] 李杰. FRP增强结构用集成材木梁弯曲力学性能研究[J]. 木材加工机械, 2014(5):41-43.

[10] Plevris N, Triantafillou T C. FRP-Reinforced Wood as Structural Material[J].Journal of Materials in Civil Engineering, 1992, 4(3):300-317.

[11] Raftery G M, Harte A M. Low-grade glued laminated timber reinforced with FRP plate[J]. Composites Part B Engineering, 2011, 42(4):724-735.

[12] Peterson J. Wood beams prestressed with bonded tension elements[J]. Journal of the Structural Division, 1965, 91(1):103-119.

[13] Yang H, Ju D, Liu W, et al. Prestressed glulam beams reinforced with CFRP bars[J]. Construction & Building Materials, 2016, 109:73-83.

[14] Triantafillou T C, Deskovic N. Innovative Prestressing with FRP Sheets:Mechanics of Short-Term Behavior[J]. Journal of Engineering Mechanics,1991, 117(7):1652-1672.

[15] El-Hacha R, Wight R G, Green M F. Prestressedfibre-reinforced polymer laminates for strengthening structures[J]. Progress in Structural Engineering &Materials, 2001, 3(2):111-121.

[16] 李杰, 范诒杰. FRP增强结构用集成材木梁胶合性能研究[J]. 林业机械与木工设备, 2015(4):19-22.

[17] 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.

[18] Brunner M, Schnueriger M. Timber beams strengthened with prestressed fibres:Delamination[C]. Proceedings of the 8thworld conference on timber engineering. Lahti, Finland, 2004, 1:345-350.