碳纤维增强复合材料约束短木柱轴压性能

(南京工业大学 土木工程学院，江苏 南京 211816)

1 引 言

碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)与传统建筑材料相比，具有轻质高强、耐腐蚀性能好、抗疲劳和耐冲击等优点，在土木交通等基础设施领域具有广阔的应用空间。木材作为生物性建筑材料，其力学性能受生长过程中环境影响较大。桦木生长速度快、耐寒冷，且防腐防虫方面具有天然优势，但是承载力较低，易变形，目前主要应用于家具制造行业。本研究采用CFRP加固桦木柱，提升原木柱的力学性能，为桦木作为主要受力构件在工程中应用奠定基础。Toutanji[1]研究了CFRP约束混凝土的本构关系，结构的承载力和刚度得到显著的提高；Parvin等[2]分析了纤维铺层、缠绕工艺对约束效果的影响；郭瑞峰[3]通过开展CFRP约束混凝土圆柱、方柱的单调及反复受压试验，系统研究了钢筋影响的单调与滞回本构模型；刘磊[4]通过试验和有限元方法研究了CFRP约束高强度混凝土柱的轴心受压性能，分析了不同纤维布厚度、约束方式、带条宽度和间距等情况下的承载力和变形；潘庆龙[5]综合考虑CFRP预应力效应以及内包柱的尺寸效应，开展了轴心受压试验，建立了考虑预应力效应的碳纤维布约束大尺寸钢筋混凝土柱应力-应变方程式；吴建国[6]开展了CFRP环向加固木材受压构件的抗压性能试验，分析加固不同长细比木柱的效果；邵劲松、周钟宏等[7-8]通过开展FRP环向加固木柱的轴心受压性能试验，分别研究了采用GFRP(玻璃纤维增强复合材料)和CFRP两种增强材料加固木柱的破坏形态；许清风等[9]研究了不同CFRP层数、倒角半径的短木柱受力性能；周乾[10]推导了CFRP加固木柱极限承载力的计算公式，通过与有限元结果的对比分析，表明CFRP加固木柱极限承载力可提高约27.4%；朱艳梅等[11]采用CFRP、BFRP(玄武岩纤维)、AFRP(芳纶纤维)3类纤维布加固短圆木柱，研究全包、半包、间隔包裹等多种加固方式及纤维布加固层厚度对圆木柱性能的影响；杜刚等[12]采用CFRP对复合材料圆管端部进行加固增强，通过轴压试验，发现端部加固可以减小复合材料管的径向变形，提高结构的承载力；梁危等[13]以CFRP、AFRP加固的方形木柱为对象，研究了不同纤维层数和全包、环向、螺旋等不同加固方式对木柱抗压承载力的影响，表明木柱的抗压承载力可提高57.5%，FRP(纤维增强复合材料)的横向约束能够有效改善木构件的延性，不同加固方式对延性的提高幅度差异较大；杨静等[14]对CFRP加固的新疆杨木短柱进行轴心抗压试验，发现通过CFRP加固可显著提高木柱的轴心受压力学性能，还研究了采用CFRP的粘贴方式、层数等参数对轴压力学性能影响的规律；梁振武[15]采用CFRP、BFRP对矩形截面新疆杨木柱进行不同方式的加固，发现纤维层数、粘贴方式对木柱的力学性能影响较大；吴高峰等[16]研制了用于碳纤维布加固的GF结构胶，通过试验研究了碳纤维布加固构件在荷载作用下的挠度、强度、裂缝展开情况及破坏模式，表明加固后结构的承载力、刚度和延性增加显著。从现有的研究结果可以看出，纤维布的粘贴缠绕方式、厚度对结构力学性能影响较大，本研究选用量大面广的桦木，采用轴压试验技术手段探讨CFRP约束桦木短柱构件的力学性能与破坏规律。

2 实 验

2.1 实验材料

短柱试件所采用的主要材料有碳纤维布(CFW300)、环氧树脂、固化剂、丙酮稀释剂以及经过干燥处理的桦木规格材。碳纤维布的基本性能参数如表1所示，经过干燥处理的桦木力学性能参数如表2所示。

表1 碳纤维布的基本性能参数Table 1 Basic performance of carbon fiber sheet

表2 桦木的力学性能参数Table 2 Mechanical properties of birch wood

2.2 试件制备

图1 CFRP缠绕方式示意图 (a) 8字型交叉； (b) 纵横向交叉Fig.1 Wrapping patterns of CFRP(a) figure of 8 pattern; (b) cross-ply pattern

试验共制作两组短柱构件：一组是CFRP约束桦木柱，根据CFRP层厚度和缠绕方式的不同分为五种工况，每种工况制作3个试件，缠绕方式分为8字型(如图1(a)所示)、纵横向交叉缠绕型(如图1(b)所示)两种类型；另一组是未粘贴CFRP的原木试件。根据《木结构试验方法标准》(GB/T 50329-2012)[17]，设计试件的尺寸如表3所示，为防止构件的整体失稳破坏，实验选用长细比为3的短柱试件，并在试件端部进行纤维加强。试件的制作步骤如下：①将桦木规格材按短柱的设计尺寸进行切割、刨光，芯材表面均匀地涂刷树脂；②裁剪碳纤维布，经树脂浸渍后按8字型和纵横交叉两种缠绕方向逐层粘贴在芯材表面，注意铺贴平整，避免出现皱褶和气泡；③用毛刷、压辊和刮刀将纤维进行压平，防止纤维层间、铺层与木材间有气泡和空洞；④纤维布缠绕完成后在构件表面再缠上一层聚酯薄膜，用于压实纤维层；固化成型后脱模。

表3 桦木短柱试件的设计参数Table 3 Design parameters of short birch wood column

注：d为柱的直径，l为柱的长度，t为CFRP层的厚度

2.3 实验方案

实验在5000kN的液压试验机上进行，在试件两端粘贴钢板以便固定或加载，试件左右两侧各布置一个YHD-20位移计，实验重点研究试件中间200mm段的位移变化情况，所以在这段距离两端设置四个铜端头。在试件的中部四侧均粘贴竖向和横向电阻应变片，用于测量试件中部截面的轴向应变和纤维应变，取各应变片的平均值作为构件的轴向应变和横向应变。

待试件几何对中固定放置完成后，采用轴压极限荷载计算值的25%进行预加载，根据位移计读数调整试件的位置；再逐级进行单调加载，弹性范围内每级荷载为计算极限荷载的1/10，当粘贴复合材料层屈服时降低加载值，每级加载值取极限荷载的1/15。逐级加载的持续时间约为2～3min，当试件变形较大接近承载极限时，进行连续加载直至完全破坏。

3 结果与分析

3.1 试件破坏形态

8字型缠绕的试件A和C存在失稳破坏现象(图2(a)、(b))，试件A失稳破坏较为严重，失稳的原因与CFRP的缠绕方向有关，也与短柱的桦木芯材模量低、剪切破坏后开裂区界面薄弱导致纤维屈曲有关。

试件B加载过程中，当荷载达到300kN时，试件表面胶体开裂；600kN时，离试件底部1/4柱高处一圈出现压痕；随着荷载增加到700kN时，碳纤维层沿着裂痕被挤压外鼓；荷载达到800kN时，碳纤维层被压溃，试件破坏，此时试件位移为2.47mm。纵横向交叉缠绕的B、D和E试件的破坏形态较相似，破坏时主要产生离两柱端1/4柱高处沿圆周方向的横向裂缝(图2(c)、(d))或两加固端交接处应力集中导致挤压破坏，其它位置的CFRP完好，未出现界面剥离破坏。

图2 试件典型破坏形态照片 (a) 试件A； (b) 试件C； (c) 试件E； (d) 试件B； (e) 试件FFig.2 Typical failure mode of specimen (a) specimen A; (b) specimen C; (c) specimen E; (d) specimen B; (e) specimen F

原木试件F加载过程中，当荷载达到300kN时，顶部区域开始出现斜裂缝，随后试件中间位置沿木材纵纹方向开始出现裂缝(图2(e))。随着荷载的增加，裂缝宽度不断增加和延伸，当荷载增加到370kN时，试件劈裂破坏。

从以上结果可以看出，试件的破坏形态与CFRP的缠绕方向相关，相同缠绕形式下纤维层厚度也影响构件的破坏形态，构件的承载性能受木质芯材的影响较大。

3.2 荷载-应变曲线

CFRP约束桦木柱和原木柱轴压试验的荷载-应变曲线如图3所示。从图可见，各试件的荷载-应变曲线都可分为线性和非线性两个阶段，经CFRP约束的桦木柱比原木柱试件非线性趋势更加明显，结构的延性得到明显提高。从图3(a)、(f)可以看出，试件A承受的最大荷载与原木非常接近，进一步证明了8字型缠绕试件的破坏由木材的承载力不足引起。破坏时，试件A的轴向应变值较大，CFRP约束效应显著。CFRP缠绕方式不同，构件的承载力、轴向应变和横向应变的差别较大，各构件的极限承载力、轴向和横向的极限应变值如表4所示。

表中负值表示压应变，正值表示拉应变。从表中可以看出，与未粘贴CFRP的原木柱相比，8字型缠绕的A、C试件极限承载力分别提高了11.1%和16.7%，横向应变分别减小了22.4%和18.1%，轴向应变分别增加181.3%和215.1%，构件的含纤率越高，承载力、轴向应变值与横向应变值越大。B、D、E三类试件的最大承载力分别提高了122.2%、150%和191.7%，构件含纤率越高，构件的承载力越大；横向应变分别减小了46.8%、50%和56.2%；轴向应变值分别增加了117.5%、72.4%和36.6%。与原木短柱相比，CFRP层8字型交叉缠绕的A、C构件极限承载力增加幅度不大，而纵横向缠绕的承载力可以增加1倍以上，纤维层数越多，增加的幅度越大。8字型缠绕的横向应变约束效应也小于纵横向约束，且纤维层数越多，约束效应越显著。从表中还可以看出，原木柱轴压构件外围粘贴纤维层引起轴向应变的显著增加，8字型缠绕的轴向极限应变比原木柱增加3倍以上，CFRP层数越多，约束效应越显著。提高纵横向缠绕构件的含纤率(即增加纤维布厚度)可有效提高构件承载力，在不显著增加轴向应变的前提下有效减小横向应变。

图3 短柱试件的荷载—轴向和横向应变变化曲线 (a) 试件A； (b) 试件C； (c) 试件E； (d) 试件B； (e) 试件FFig.3 Axial and transversal strain-load curve of specimens (a) specimen A; (b) specimen C; (c) specimen E; (d) specimen B; (e) specimen F

表4 桦木柱试件轴压性能参数对比Table 4 Axial compressive property comparison of birch specimens

4 结 论

本研究提出一种采用CFRP约束桦木制成的圆形截面短柱构件，柱的外层采用碳纤维布缠绕增强。通过开展轴压性能试验，对比分析8字型缠绕和纵横向缠绕两种约束构件、原木构件的轴压性能，主要结论有：

1．与原木构件相比，8字型交叉缠绕CFRP约束桦木柱的轴压极限承载力有所提高，但轴向和横向变形的约束效果不够理想，增加纤维层的厚度，轴向和横向应变值反而增加，对结构的稳定性不利。

2．纵横向缠绕CFRP约束桦木柱的轴压极限承载力提高幅度较大，横向变形约束效应显著。增加CFRP厚度，可显著提高结构极限承载力，减小横向和轴向应变值。

3．通过对比分析，采用纵横向缠绕方法、适当增加CFRP层的厚度(即含纤率)可有效约束桦木柱的轴向和横向变形，有效提高构件的承载力。