BFRP 加固新疆楊木長柱軸心受壓力學性能試驗研究＊

魏思田，王冉，柳興華，劉鑫，夏庫拉·巴合特巴依，譚鑫宇

（新疆大學建筑工程學院，新疆烏魯木齊 830047）

新疆楊木是一種就地取材、可再生的建筑材料，具有一定的抗壓、抗拉和抗彎強度，普遍應用于南疆地區的古建筑、村鎮建筑中作為受力構件[1]。由于木材本身存在天然缺陷，其耐久性較差，經過一定的服役期后其力學性能有所降低，因此有許多學者采用螺栓加固法、附加梁板法、化學灌漿法、上下附加構件法等改善其力學性能，但這些加固方法會對原有建筑的外貌和環境產生一定的影響[2]，亟須研發一種低干預、便于施工的加固技術。粘貼BFRP 具有耐侵蝕、易于施工、宜替換與修補等優點[3-6]，同時也可以為二次加固提供有利條件，因此在木柱加固中具有良好的應用前景。

近年來，許多學者開展了纖維增強復合材料（FRP）加固木柱的研究。李浪等[7-8]選用FRP 螺旋形纏繞方式和環向纏繞方式對樟松木圓木柱進行試驗，結果表明承載力和剛度都有所提高，特別指出FRP 加固有木節木柱的極限承載力和剛度的提高是以犧牲延性為代價。尤其以劉清團隊[9-13]通過不同粘貼材料、粘貼層數、簡單的粘貼方式進行了受壓力學性能試驗研究，研究指出，短柱軸心受壓時滿貼加固的承載力和約束橫向應變的能力優于間隔加固，但2 種加固方式都一致表現出2 層加固與1 層加固相差不明顯；針對長柱受壓得出，初始偏心距對其承載力的影響程度明顯大于長細比，而長細比對構件的橫向、縱向位移的影響更為明顯，粘貼2 層比1 層的效果更為顯著?；羧瘥惖萚14]采用8 字形及縱橫交叉2 種纏繞方法在短柱的外側粘貼碳纖維布增強進行軸壓試驗研究，研究表明，縱橫向纏繞碳纖維增強復合材料（CFRP）對極限承載力提高幅度較大，橫向變形約束效應也顯著，增加CFRP厚度效果更明顯。周長東等[15-17]針對內嵌鋼筋外包CFRP 布復合加固法木柱展開力學性能試驗研究，結果表明，加固效果顯著，大幅度提高了木柱的承載力和延性，并依據試驗數的回歸分析，提出了復合加固木柱的承載力計算模型和三折線型與多項式型2 種復合加固木柱的軸心受壓應力-應變模型。

分析以上文獻發現，研究集中于粘貼材料、加固方式和加固厚度的變化對受壓柱力學性能影響的研究，相比粘貼方式較單一，且實際工程中由于各種偶然因素造成初始偏心，針對此受壓狀態設計BFRP 加固新疆楊木長柱的試驗研究相對較少。因此，本研究采用BFRP 加固新疆和田楊木，針對特定尺寸長柱分別設計BFRP 縱向粘貼、橫向滿貼變化纏繞方式展開長柱軸心抗壓全過程的破壞形態和力學性能的試驗研究具有一定的必要性，能為新疆楊木加固提供一定的理論基礎。

1 試驗概況

1.1 材料屬性

木材選用新疆和田楊木，BFRP 選用浙江石金玄武巖纖維有限公司生產的玄武巖纖維增強復合材料單向纖維布，幅寬為1 000 mm，樹脂采用L-500A/B 結構膠，A/B 結構膠質量配合比為2∶1，其材料力學主要性能如表1 所示。

表1 材料的力學屬性

1.2 試件設計

筆者設計制作了4 組共12 根軸心受壓方形新疆楊木柱，分別對應如圖1 所示的未加固與3 種不同加固方式，試件尺寸及相關信息如表2 所示。

圖1 加固方式示意圖

表2 方形楊木柱軸心受壓試件尺寸及相關信息

1.3 加載方案及測量方案

本試驗在新疆大學結構試驗室500 kN 微機控制電液伺服壓力試驗機（WEY-5000）上進行。模擬受壓木柱兩端鉸支約束設計刀鉸裝置，如圖2 所示，根據GB/T 50329—2012《木結構試驗方法標準》規定，加載方式為連續勻速位移加載，試驗開始先對木柱施加4～8 kN的荷載作為預加載，隨后控制壓力機以2 mm/min 的速度進行加載，當試件發生明顯破壞時停止試驗。

圖2 加載裝置及測點布置圖

為了準確測得試件變形量，在方木柱的中部四面分別粘貼了橫向和縱向的應變片，采用DH3816 靜態應變測試系統，具體應變測點位置如圖2（a）所示。同時，在試件中部左右各設置水平位移計1 個，試件1/4 高度和3/4 高度處各設置1 個水平位移計，用于測量柱子軸心受壓時發生的彎曲變形和水平位移，位移計布置如圖2（b）所示。

2 試驗現象及破壞過程

試驗表明，所有長柱試件都是軸心受壓轉變偏心受壓的中部彎曲破壞模式，但破壞過程表現不同，如圖3 所示。YMZZX-0-1700 試件在試驗初期剛開始加載時，木柱皆未發生明顯變化，荷載增加至極限荷載的80%～90%時，木柱中部出現彎曲現象，隨后達到極限荷載，荷載降低至極限荷載的75%時，木柱連續發出響聲，柱中凹側木材橫向壓潰，褶皺長度水平擴展40 ～50 mm，之后凸側中部木纖維拉斷。YMZZX-1-1700 試件破壞順序與YMZZX-0-1700 相似，為先出現彎曲后達到極限承載力，然后凹側先纖維褶皺壓潰，最后凸側纖維拉斷，只是加固試件的彎曲變形相對緩慢些。YMZZX-2-1700、YMZZX-3-1700試件則表現為先達到極限荷載，后木柱試件突然彎曲，當荷載下降至極限荷載70%～80%時有了細微間斷的響聲，下降約極限荷載的60%時纖維褶皺壓潰，最后出現凸側纖維拉斷的現象。說明較長柱在側面縱向粘貼BFRP 可以提高木構件材料強度，改善構件的變形能力。

圖3 方形新疆楊木柱破壞形態

3 試驗結果及分析

3.1 加固方式對承載力的影響

加固方式不同對極限承載力的影響程度有一定的差別，軸心抗壓試驗結果信息如表3 所示。

表3 試件軸心抗壓試驗結果信息

BFRP 不同加固方式下長柱試件的承載力提高幅度不同：采用橫向滿貼、橫向滿貼加縱向粘貼、橫向間隔粘貼加縱向粘貼時，與未加固試件相比，新疆楊木柱極限承載力提高幅度分別為4.89%、6.53%、0.94%。其中橫向滿貼加縱向粘貼加固極限承載力提高幅度最大。

3.2 荷載-縱向位移曲線

荷載-縱向位移曲線圖如圖4 所示。由圖4 可知：①加固柱和未加固柱荷載-縱向位移曲線都表現為上升段和下降段，荷載初期曲線基本呈直線，在軸向荷載作用下，加固柱的縱向位移明顯大于未加固柱的縱向位移；②與未加固柱比較，橫向滿貼、橫向滿貼加縱向粘貼、橫向間隔粘貼加縱向粘貼加固試件的縱向位移提高幅度分別為18.96%、44.38%、15.64%，其中橫向滿貼加縱向粘貼加固最為顯著；③加固柱與未加固柱的極限承載力后下降段斜率幾乎沒有變化，表明整個受壓過程加固柱的縱向變形在達到極限荷載之前已基本完成全過程的約80%。

圖4 荷載-縱向位移曲線圖

荷載-水平位移曲線如圖5 所示。由圖5 可知：試件加固柱和未加固木柱的水平位移變化趨勢有差別，荷載初期未加固柱的水平位移變形約束效果明顯，靠近縱坐標，當荷載達到極限荷載的40%時，加固增強，斜率開始有了較明顯的增長趨勢，極限荷載后下降階段橫向滿貼加縱向粘貼方式的斜率相對表現顯得平緩些。

圖5 荷載-水平位移曲線圖

3.3 荷載-應變曲線

不同加固方式荷載-應變曲線如圖6 所示。由圖6可知：①曲線基本表現為直線，相同荷載作用下，加固柱的應變小于未加固柱的應變，木柱的整體彈性模量增大，BFRP 參與受力，分擔了部分荷載。②橫向應變明顯小于縱向應變，橫向應變與縱向應變比值為0.4～0.5，說明對橫向約束效果更明顯，其中橫向滿貼加縱向粘貼約束能力最強，縱向和橫向應變均最小。

圖6 不同加固方式荷載-應變曲線圖

4 結論

本文通過3 種BFRP 加固長度木柱軸心受壓試驗研究，得出以下結論。

BFRP 加固長柱試件均表現為以中部彎曲破壞形式，但對于受壓長柱增加側面縱向粘貼，破壞順序有所改變，由先發生彎曲破壞后達到極限承載力的過程轉變成先達到極限承載力后出現彎曲破壞，變形能力有一定程度的提高，但承載力提高效果不明顯。

采用橫向滿貼、橫向滿貼加縱向粘貼、橫向間隔粘貼加縱向粘貼3 種加固方式，加固與未加固試件比較，極限承載力提高幅度分別為4.89%、6.53%、0.94%，縱向位移提高幅度分別為18.96%、44.38%、15.64%。相較而言，橫向滿貼加縱向粘貼加固效果最顯著，一定尺寸長柱粘貼纖維布增強雖然縱向變形增長明顯加快，延性得到一定程度的改善，但極限承載力提高幅度有限。

在荷載作用下，加固柱的應變小于未加固柱的應變，木柱的整體彈性模量增大，說明粘貼纖維布的橫向約束效果更明顯。