BFRP 加固新疆杨木长柱轴心受压力学性能试验研究＊

魏思田，王冉，柳兴华，刘鑫，夏库拉·巴合特巴依，谭鑫宇

（新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐 830047）

新疆杨木是一种就地取材、可再生的建筑材料，具有一定的抗压、抗拉和抗弯强度，普遍应用于南疆地区的古建筑、村镇建筑中作为受力构件[1]。由于木材本身存在天然缺陷，其耐久性较差，经过一定的服役期后其力学性能有所降低，因此有许多学者采用螺栓加固法、附加梁板法、化学灌浆法、上下附加构件法等改善其力学性能，但这些加固方法会对原有建筑的外貌和环境产生一定的影响[2]，亟须研发一种低干预、便于施工的加固技术。粘贴BFRP 具有耐侵蚀、易于施工、宜替换与修补等优点[3-6]，同时也可以为二次加固提供有利条件，因此在木柱加固中具有良好的应用前景。

近年来，许多学者开展了纤维增强复合材料（FRP）加固木柱的研究。李浪等[7-8]选用FRP 螺旋形缠绕方式和环向缠绕方式对樟松木圆木柱进行试验，结果表明承载力和刚度都有所提高，特别指出FRP 加固有木节木柱的极限承载力和刚度的提高是以牺牲延性为代价。尤其以刘清团队[9-13]通过不同粘贴材料、粘贴层数、简单的粘贴方式进行了受压力学性能试验研究，研究指出，短柱轴心受压时满贴加固的承载力和约束横向应变的能力优于间隔加固，但2 种加固方式都一致表现出2 层加固与1 层加固相差不明显；针对长柱受压得出，初始偏心距对其承载力的影响程度明显大于长细比，而长细比对构件的横向、纵向位移的影响更为明显，粘贴2 层比1 层的效果更为显著。霍瑞丽等[14]采用8 字形及纵横交叉2 种缠绕方法在短柱的外侧粘贴碳纤维布增强进行轴压试验研究，研究表明，纵横向缠绕碳纤维增强复合材料（CFRP）对极限承载力提高幅度较大，横向变形约束效应也显著，增加CFRP厚度效果更明显。周长东等[15-17]针对内嵌钢筋外包CFRP 布复合加固法木柱展开力学性能试验研究，结果表明，加固效果显著，大幅度提高了木柱的承载力和延性，并依据试验数的回归分析，提出了复合加固木柱的承载力计算模型和三折线型与多项式型2 种复合加固木柱的轴心受压应力-应变模型。

分析以上文献发现，研究集中于粘贴材料、加固方式和加固厚度的变化对受压柱力学性能影响的研究，相比粘贴方式较单一，且实际工程中由于各种偶然因素造成初始偏心，针对此受压状态设计BFRP 加固新疆杨木长柱的试验研究相对较少。因此，本研究采用BFRP 加固新疆和田杨木，针对特定尺寸长柱分别设计BFRP 纵向粘贴、横向满贴变化缠绕方式展开长柱轴心抗压全过程的破坏形态和力学性能的试验研究具有一定的必要性，能为新疆杨木加固提供一定的理论基础。

1 试验概况

1.1 材料属性

木材选用新疆和田杨木，BFRP 选用浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的玄武岩纤维增强复合材料单向纤维布，幅宽为1 000 mm，树脂采用L-500A/B 结构胶，A/B 结构胶质量配合比为2∶1，其材料力学主要性能如表1 所示。

表1 材料的力学属性

1.2 试件设计

笔者设计制作了4 组共12 根轴心受压方形新疆杨木柱，分别对应如图1 所示的未加固与3 种不同加固方式，试件尺寸及相关信息如表2 所示。

图1 加固方式示意图

表2 方形杨木柱轴心受压试件尺寸及相关信息

1.3 加载方案及测量方案

本试验在新疆大学结构试验室500 kN 微机控制电液伺服压力试验机（WEY-5000）上进行。模拟受压木柱两端铰支约束设计刀铰装置，如图2 所示，根据GB/T 50329—2012《木结构试验方法标准》规定，加载方式为连续匀速位移加载，试验开始先对木柱施加4～8 kN的荷载作为预加载，随后控制压力机以2 mm/min 的速度进行加载，当试件发生明显破坏时停止试验。

图2 加载装置及测点布置图

为了准确测得试件变形量，在方木柱的中部四面分别粘贴了横向和纵向的应变片，采用DH3816 静态应变测试系统，具体应变测点位置如图2（a）所示。同时，在试件中部左右各设置水平位移计1 个，试件1/4 高度和3/4 高度处各设置1 个水平位移计，用于测量柱子轴心受压时发生的弯曲变形和水平位移，位移计布置如图2（b）所示。

2 试验现象及破坏过程

试验表明，所有长柱试件都是轴心受压转变偏心受压的中部弯曲破坏模式，但破坏过程表现不同，如图3 所示。YMZZX-0-1700 试件在试验初期刚开始加载时，木柱皆未发生明显变化，荷载增加至极限荷载的80%～90%时，木柱中部出现弯曲现象，随后达到极限荷载，荷载降低至极限荷载的75%时，木柱连续发出响声，柱中凹侧木材横向压溃，褶皱长度水平扩展40 ～50 mm，之后凸侧中部木纤维拉断。YMZZX-1-1700 试件破坏顺序与YMZZX-0-1700 相似，为先出现弯曲后达到极限承载力，然后凹侧先纤维褶皱压溃，最后凸侧纤维拉断，只是加固试件的弯曲变形相对缓慢些。YMZZX-2-1700、YMZZX-3-1700试件则表现为先达到极限荷载，后木柱试件突然弯曲，当荷载下降至极限荷载70%～80%时有了细微间断的响声，下降约极限荷载的60%时纤维褶皱压溃，最后出现凸侧纤维拉断的现象。说明较长柱在侧面纵向粘贴BFRP 可以提高木构件材料强度，改善构件的变形能力。

图3 方形新疆杨木柱破坏形态

3 试验结果及分析

3.1 加固方式对承载力的影响

加固方式不同对极限承载力的影响程度有一定的差别，轴心抗压试验结果信息如表3 所示。

表3 试件轴心抗压试验结果信息

BFRP 不同加固方式下长柱试件的承载力提高幅度不同：采用横向满贴、横向满贴加纵向粘贴、横向间隔粘贴加纵向粘贴时，与未加固试件相比，新疆杨木柱极限承载力提高幅度分别为4.89%、6.53%、0.94%。其中横向满贴加纵向粘贴加固极限承载力提高幅度最大。

3.2 荷载-纵向位移曲线

荷载-纵向位移曲线图如图4 所示。由图4 可知：①加固柱和未加固柱荷载-纵向位移曲线都表现为上升段和下降段，荷载初期曲线基本呈直线，在轴向荷载作用下，加固柱的纵向位移明显大于未加固柱的纵向位移；②与未加固柱比较，横向满贴、横向满贴加纵向粘贴、横向间隔粘贴加纵向粘贴加固试件的纵向位移提高幅度分别为18.96%、44.38%、15.64%，其中横向满贴加纵向粘贴加固最为显著；③加固柱与未加固柱的极限承载力后下降段斜率几乎没有变化，表明整个受压过程加固柱的纵向变形在达到极限荷载之前已基本完成全过程的约80%。

图4 荷载-纵向位移曲线图

荷载-水平位移曲线如图5 所示。由图5 可知：试件加固柱和未加固木柱的水平位移变化趋势有差别，荷载初期未加固柱的水平位移变形约束效果明显，靠近纵坐标，当荷载达到极限荷载的40%时，加固增强，斜率开始有了较明显的增长趋势，极限荷载后下降阶段横向满贴加纵向粘贴方式的斜率相对表现显得平缓些。

图5 荷载-水平位移曲线图

3.3 荷载-应变曲线

不同加固方式荷载-应变曲线如图6 所示。由图6可知：①曲线基本表现为直线，相同荷载作用下，加固柱的应变小于未加固柱的应变，木柱的整体弹性模量增大，BFRP 参与受力，分担了部分荷载。②横向应变明显小于纵向应变，横向应变与纵向应变比值为0.4～0.5，说明对横向约束效果更明显，其中横向满贴加纵向粘贴约束能力最强，纵向和横向应变均最小。

图6 不同加固方式荷载-应变曲线图

4 结论

本文通过3 种BFRP 加固长度木柱轴心受压试验研究，得出以下结论。

BFRP 加固长柱试件均表现为以中部弯曲破坏形式，但对于受压长柱增加侧面纵向粘贴，破坏顺序有所改变，由先发生弯曲破坏后达到极限承载力的过程转变成先达到极限承载力后出现弯曲破坏，变形能力有一定程度的提高，但承载力提高效果不明显。

采用横向满贴、横向满贴加纵向粘贴、横向间隔粘贴加纵向粘贴3 种加固方式，加固与未加固试件比较，极限承载力提高幅度分别为4.89%、6.53%、0.94%，纵向位移提高幅度分别为18.96%、44.38%、15.64%。相较而言，横向满贴加纵向粘贴加固效果最显著，一定尺寸长柱粘贴纤维布增强虽然纵向变形增长明显加快，延性得到一定程度的改善，但极限承载力提高幅度有限。

在荷载作用下，加固柱的应变小于未加固柱的应变，木柱的整体弹性模量增大，说明粘贴纤维布的横向约束效果更明显。