FRP木夹芯柱高温后轴心受压的试验研究

陈宇 蔡颖 吴凯莉

南京工业大学 土木工程学院 江苏 南京 211800

前言

纤维增强复合材料（FRP）凭借其轻质高强、耐腐蚀性好、设计灵活、耐疲劳等优点，广泛用于结构加固改造、房屋建造、桥梁建设等领域，备受国内外工程师、研究人员、设计人员们的青睐。

目前，国内外大部分研究主要针对室温下FRP夹芯结构的性能研究。美国Oklahoma大学对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约17%。同济大学的张大照[1]，南京工业大学的邵劲松[2-3]，四川大学的梁危[4]等人，先后通过试验研究了不同加固方式对木柱抗压性能的影响，并得出FRP加固木柱的破坏模式及极限承载力的计算公式等结论。然而，上述研究仅报道了室温下的试验研究，为适应现代工程结构向大跨、高耸、重载、轻质发展的需求, 纤维增强复合材料（FRP）作为结构材料的高温后性能尤为重要。但一般FRP不能在高温下长期使用，通用聚酯FRP在50℃以上强度就明显下降，一般只在100℃以下使用；通用型环氧FRP在60℃以上，强度有明显下降[5]。因此考虑FRP高温后剩余强度十分必要。

本文采用3层FRP纤维布环向加固不同截面尺寸木柱，进行高温后轴心受压的试验研究，了解高温后FRP夹芯木柱的抗压性能变化，为FRP构件和结构的抗火设计及火灾后的损伤评估、加固提供依据。

1 试验概况

1.1 试件设计与制作

试验共进行3组纤维增强复合材料夹芯木柱高温后轴向性能的对比试验研究。试验所采用的夹芯木材均为泡桐木，其气干密度约为250-300kg/m³，导热系数小，燃点高达425℃，抗压强度为26.5MPa。加固材料统一为FRP纤维增强复合材料，并设计纤维布层数为3层（约1.8mm），纤维方向统一正交布。夹芯柱外观尺寸为40mm×40mm×120mm（方形）和40mm×120mm（圆形）两种。设计4种温度：20℃（室温）、Tg（玻璃化转变温度120℃）、200℃、300℃。试件统一编号为X Y ，其中X为试件规格，有S：方形夹芯泡桐木，C：圆形夹芯泡桐木，W：泡桐木；Y为锅炉温度，有T0：20℃，T1：Tg，T2：200℃，T3：300℃。编号示意：ST0代表方形夹芯泡桐木受温度20℃。具体见表1：

表1 试件编号及主要参数

1.2 试验安排

试验在南京工业大学复合材料试验室中进行。将试件置于高温炉中进行加热，待柱子中心温度升至指定温度时，继续保持炉温恒定半小时，确保柱子内部温度均匀且稳定。将柱子从高温炉中取出后，冷却至室温后放于MTS万能试验机上进行加载，荷载-位移曲线通过微机电脑进行采集。正式加载前先进行预压以确保承压台座基础稳固，试验采用连续均匀加载方式，加载速度为2mm/min，当荷载下降至极限荷载并观察一定延性后，实验结束。

2 试验结果与分析

2.1 试验过程

（1）A组。在荷载增加过程中，原木试件呈典型的轴压破坏特性。试件WT0、WT1、WT2在加载过程中均具有一定的延性，试件WT0和试件WT1顺45°错位轴压破坏，试件WT2开始出现竖向裂缝，端部木纤维压碎，仍基本为轴压破坏。而试件WT3呈明显的脆性破坏特征，在加载初期碳化层即发出声响劈裂破坏，出现竖向裂缝贯通试件。

（2）B组。在荷载增加过程中，方形试件呈典型的轴压破坏特性。不同温度试验下，加载后试件ST的破坏形态基本相似，均为延性破坏。试件加载初期，先是某一部位局部FRP纤维崩断发出声响，随后破坏处周围纤维布出现褶皱直至拉断，明显出现横向裂缝，试件仍均为轴压破坏。

（3）C组。在荷载增加过程中，圆形试件呈典型的轴压破坏特性。试件CT0由于端部压曲而破坏；试件CT1随荷载增加，出现不规则FRP纤维崩断痕迹和纵横裂缝；试件CT2和CT3初期横向变形很小，局部FRP崩裂后木柱错位变形，周围一圈纤维布受力相继向外崩裂破坏，呈麻花状，也属于轴压破坏。

典型试件破坏形态见图1。

总之，试件破坏基本呈轴压破坏特征，不同温度试验加载后同组试件的破坏形态基本相似，多数为延性破坏，但其中的试件WT3为脆性破坏。

2.2 试验结果分析

3组试件的荷载-位移曲线见图2～4

图2 A组的荷载-位移曲线图

图3 B组的荷载-位移曲线图

图4 C组的荷载-位移曲线图

由图1～4可知，试件的受力过程可分为三个阶段：第一阶段，试件达到极限承载力之前，荷载与位移成正比，三组试件性能类似原木柱。此时在加载初期，加载荷载较小，试件的横向变形也很小，FRP对木柱的约束压力小，约束作用并不明显。第二阶段：试件承载力首次达到峰值后，荷载随着位移增大而下降，之后加固试件应力重分布，出现荷载“回升”现象。木柱先是局部木纤维屈曲压碎破坏，使得木柱承载面积减小，导致大范围木纤维都相继屈曲破坏。加固试件在FRP约束作用下应力重分布，能继续承担荷载作用。试件表面微裂缝缓慢发展，FRP对木柱的横向约束得到体现，直至纤维层充分发挥作用，木柱的延性得到明显改善。第三阶段，承载力达到极限，木柱破坏变形。FRP约束力不能再维持试件的稳定，木柱中部出现明显的45°错动变形，未破坏部分的FRP继续限制压碎部分向外侧弯折变形，此时荷载缓慢地发生下降。

表2 试件的极限荷载

由表2知，轴压木柱经FRP加固后的承载力和变形能力均得到提高，极限承载力随温度的增加而明显降低。由A、B组的试验结果比较可得，正交缠绕FRP的试件对应在不同温度下显著提高木柱承载力183.48%～244.23%；由B、C组的试验结果比较可得，截面积更大的B组试件显然比C组试件承载力更高；对比室温和120℃、200℃、300℃高温下的木柱承载力可知，每组试件极限承载力都随温度的增加而明显降低，其中C组在室温和120℃下极限承载力下降幅度很小，几乎忽略不计，A组和B组极限承载力在200℃下仍有室温下承载力的61.36%～74.51%，200℃后承载力急速下降，可见方形木夹芯柱高温后的承载能力优于圆形木夹芯柱。

3 结束语

本文主要进行了FRP加固木夹芯柱试件高温后的试验研究，根据材料特性和试验现象，对比分析了各设计参数对试件工作性能产生的影响。可得到如下结论：

（1）FRP木夹芯柱基本为延性破坏，原木柱部分是脆性破坏。FRP加固试件的破坏缘于木纤维屈曲压碎破坏，主要表现为FRP包裹层的压皱破坏，破坏前都有明显预兆，为延性破坏。原木试件的破坏表现为木纤维在薄弱处受压褶皱，向外弯折变形，出现斜45°破坏面和纵向裂缝，仍是延性破坏，但是300℃下，原木受压直接劈裂破坏，为脆性破坏。

（2）FRP对木柱的约束作用显著提高木柱的受压承载能力。采用FRP加固木柱可提高木柱的承载力，改善木柱的变形能力，正交缠绕FRP的试件对应在不同温度下显著提高木柱承载力达179%～233%，随着温度的升高，增幅逐渐变缓。

（3）FRP木夹芯柱极限承载力随温度的增加而明显降低，方形木夹芯柱高温后的承载能力优于圆形木夹芯柱。每组木柱的极限承载力都随温度的增加而明显降低，其中C组在室温和120℃下极限承载力下降幅度很小，几乎忽略不计，但200℃下承载力只有原先的46.7%左右，而A组和B组极限承载力在200℃下仍有室温下承载力的61.8%～65.3%。

（4）高温后木夹芯柱承载力下降原因主要包括：高温后木材强度的明显劣化；高温使得FRP性能降低，树脂软化，FRP与木柱连接面发生剥离。