代庭葦,季 韜,張 鷹,莊一舟
(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福建福州 350116;2.福州大學(xué)建筑學(xué)院,福建福州 350116)
由于木材自身的材性缺陷、外界環(huán)境的影響及作用荷載的改變,木結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)大量的損壞,從而需要頻繁地進(jìn)行修復(fù)和補(bǔ)強(qiáng).傳統(tǒng)的古建筑木結(jié)構(gòu)加固方法有嵌補(bǔ)法、剔補(bǔ)法、下?lián)问嚼瓧U加固梁、夾接、托接法和更換新構(gòu)件法等[1],這些方法通常引入扁鋼或鐵箍進(jìn)行加固,會破壞木結(jié)構(gòu)原貌,并帶來新的銹蝕問題.近年來,在古建筑木結(jié)構(gòu)的加固中,引入了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP),由于其具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、耐久性好、易于剪裁、施工性好等優(yōu)點(diǎn),在木結(jié)構(gòu)加固修復(fù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2].
20世紀(jì)60年代起,國外的研究者Wangaard[3]率先對玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)加固木梁進(jìn)行了試驗(yàn)研究.之后,Plevris等[4]、Gilfillan等[5]、張大照[6]通過CFRP布加固木梁抗彎性能試驗(yàn),得到CFRP布能顯著改善原木梁的性能以及大幅度提高木梁的抗彎承載力的結(jié)論;張莉[7]、姬卓[2]、馬建勛等[8]、謝啟芳[9]通過試驗(yàn)研究了粘貼不同層數(shù)的碳纖維布對矩形木梁抗彎性能的影響,結(jié)果均表明,經(jīng)CFRP布加固后木梁的抗彎承載力大約提高20%,極限承載力、延性和剛度方面,雙層加固的提高幅度高于單層加固,同時隨著碳纖維布層數(shù)的增加,碳纖維布的工作效率會降低.
針對實(shí)際工程古建筑木結(jié)構(gòu)中梁端腐朽亟待維修的現(xiàn)狀,提出一種新的維修方法,即將梁兩端已腐朽的部分鋸掉,用兩段新木材與原中間段木材通過榫卯的形式進(jìn)行接長,接長后的長度與原木梁相等,之后在接長節(jié)點(diǎn)處粘貼碳纖維布(CFRP)進(jìn)行加固,并研究不同碳纖維布(CFRP)層數(shù)對加固榫卯接長木梁抗彎承載力的影響.
本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了5個試件,均為圓形截面,直徑d=130 mm,長度L=2 000 mm,凈跨L0=1 800 mm,各試驗(yàn)梁具體參數(shù)及加固方案見表1.燕尾榫樣式見圖1,加固方案見圖2.
表1 試驗(yàn)梁參數(shù)Tab.1 Test beam parameter Ds
圖1 榫卯樣式(單位:mm)Fig.1 Tenon style(unit:mm)
圖2 試件加固方案(單位:mm)Fig.2 Specimen reinforcement scheme(unit:mm)
按GB 1927~1943-09《木材物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[10]執(zhí)行,測得木材的主要力學(xué)性能指標(biāo)見表2.
表2 木材主要性能指標(biāo)Tab.2 Key performance indexes of wood
CFRP布性能指標(biāo)見表3,粘結(jié)劑的性能指標(biāo)見表4.
表3 CFRP布性能指標(biāo)Tab.3 Performance indexes of CFRP sheet
表4 粘結(jié)劑性能指標(biāo)Tab.4 Performance indexes of binder
試驗(yàn)在福州大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,加載方式為液壓千斤頂手動加載,千斤頂置于荷載分配梁上,再通過鋼墊板將荷載傳遞到試驗(yàn)梁上,從而實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)集中加載.根據(jù)GB/T 50329-2012《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》[11],整個加載過程采用逐級加荷方式,先進(jìn)行預(yù)加載(即先加載至2 kN,而后卸載),確認(rèn)每項(xiàng)儀器正常運(yùn)行,而后再從0開始每級加載3 kN,每級穩(wěn)定2.5 min,待開始有響聲后,每級加載改為1~2 kN,直至破壞.
試驗(yàn)測量內(nèi)容為:梁跨中位移、支座沉降、加載點(diǎn)位移、跨中截面木纖維應(yīng)變,觀察和記錄木梁的破壞情況.各試驗(yàn)梁沿梁長共設(shè)置5個位移計(jì),沿各試件跨中截面高度均勻布置5個應(yīng)變片,應(yīng)變片的數(shù)據(jù)通過DH3816靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集.試件加載裝置及測點(diǎn)布置見圖3,應(yīng)變片用粗短線表示.
圖3 試件加載裝置及測點(diǎn)布置(單位:mm)Fig.3 Specimen loading device and measuring points(unit:mm)
試件L1,當(dāng)F=18 kN時,木梁右端開始有微裂響聲發(fā)出,原始裂縫開始開展,裂縫寬度變大;之后每級加載時均會有響聲發(fā)出,當(dāng)F=46 kN時,右邊突然一聲大響,跨中靠近右邊處拉開一齒狀片;當(dāng)F=52 kN時,跨中一條大裂縫,原齒狀片木材嚴(yán)重起鼓.為保護(hù)儀器和設(shè)備的安全,停止進(jìn)一步加載,L1為彎曲破壞,破壞形態(tài)見圖4.
試件L2,采用吊籃進(jìn)行砝碼逐級加載,加載過程逐漸有拔榫現(xiàn)象,當(dāng)F=1.10 kN時,右邊榫卯處突然全部拔出,破壞形態(tài)見圖5.
圖4 試件L1破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of specimen L1
圖5 試件L2破壞形態(tài)Fig.5 Failure modes of specimen L2
試件L3,當(dāng)F=18 kN時,開始有微裂響聲發(fā)出;加載過程中,時常有大響發(fā)出,ω跨中=11.6 mm,F(xiàn)=30 kN時,左邊一聲大響,有一條較大寬度的裂縫產(chǎn)生;F=32 kN時,左邊褶皺厲害,響聲不斷,ω跨中=24 mm,F(xiàn)=34 kN時,左邊一聲巨響,梁底拉開,梁側(cè)面CFRP布撕裂開,ω跨中=24.5 mm.試驗(yàn)結(jié)束后,將接長節(jié)點(diǎn)處所粘貼的碳纖維布打磨開,可量得其拔榫尺寸為3 mm,這是由于當(dāng)CFRP與木梁剝離后,失去了加固作用,使得榫卯連接處開始拔榫.
試件L4,當(dāng)F=24 kN時,左邊一聲脆響,ω跨中=18.6 mm,F(xiàn)=31 kN時,左邊CFRP布開始剝離;F=33 kN時,左邊一直有響聲發(fā)出,緊接著突然一聲大響,CFRP布出現(xiàn)嚴(yán)重剝離現(xiàn)象,ω跨中=24.6 mm.試驗(yàn)結(jié)束后,將接長節(jié)點(diǎn)處所粘貼的碳纖維布打磨開,可量得其拔出尺寸為3 mm.
試件L5,當(dāng)F=21 kN時,左邊有微響,ω跨中=15.1 mm;加載過程時有清脆響聲發(fā)出;F=32 kN時,右邊一聲巨響,右邊碳纖維布剝落開,ω跨中=23.8 mm.試驗(yàn)結(jié)束后,將接長節(jié)點(diǎn)處所粘貼的碳纖維布打磨開,可量得其拔出尺寸為5 mm.
試件L3~L5的破壞類型一樣,破壞形態(tài)相近如試件L4的破壞形態(tài)見圖6,各試件的試驗(yàn)結(jié)果見表5.
圖6 試件L4破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of specimen L4
表5 試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results
在木梁的受彎靜力試驗(yàn)中,經(jīng)CFRP布加固后的試件L3~L5,均發(fā)生了CFRP布剝離破壞,從而導(dǎo)致加固梁在達(dá)到截面彎曲破壞極限承載力之前過早發(fā)生破壞.從試驗(yàn)現(xiàn)象可知,CFRP布從靠近加載點(diǎn)的端部開始出現(xiàn)CFRP布與木材之間的剝離,破壞時CFRP布上粘附有少量木材,說明此處CFRP布與木梁之間的粘結(jié)應(yīng)力超過了其粘結(jié)強(qiáng)度[12-13],因此,建議在后續(xù)研究中增加CFRP布的粘結(jié)長度,降低CFRP布與木梁之間的粘結(jié)應(yīng)力,以避免CFRP布與木梁的脫粘剝離破壞.
1)比較試件L3~L5與試件L2,未經(jīng)CFRP布進(jìn)行加固的試件L2,其抗彎承載力很低僅為1.1 kN,而經(jīng)CFRP布進(jìn)行加固后的試件L3~L5,其抗彎承載力明顯得到提高,提高至未加固前的29.1~30.9倍;比較試件L3~L5和試件L1,可知榫卯接長木梁經(jīng)CFRP布加固后,其抗彎承載力可提高至原木梁L1的61.5% ~65.4%,說明這些加固方案有效.
2)比較試件L3~L5,三根試件的區(qū)別在于與木梁長度方向平行的碳纖維布層數(shù)分別為1層、2層和3層,各試件的抗彎承載力分別為34、33和32 kN,數(shù)值相近;試件L3~L5均是發(fā)生CFRP布與木梁之間的剝離破壞,而不是CFRP布被拉斷,根據(jù)謝啟芳、張莉等人[7,9]的研究成果可知,CFRP布的層數(shù)越多厚度越大,則CFRP布與木梁之間的最大界面應(yīng)力也越大,則在CFRP布錨固長度不夠的情況下,增加碳纖維布厚度,也不能進(jìn)一步提高木梁的極限承載力.
木梁跨中截面-應(yīng)變曲線見圖7.從圖7可知,木梁的應(yīng)變沿截面高度的分布呈線性關(guān)系,因此在計(jì)算時可認(rèn)為中性軸的位置仍在梁高的1/2處,符合平截面假定.除試件L2外其余各試件受彎時,中性軸的位置從梁高的1/2處略微向受拉區(qū)偏移,這與Johns[14]的試驗(yàn)結(jié)果相一致.分析其原因主要是由于木材順紋抗壓強(qiáng)度比順紋抗拉強(qiáng)度低很多,從而木梁受壓區(qū)會更早進(jìn)入塑性狀態(tài),隨著受壓區(qū)塑性范圍的增大,中和軸逐漸向受拉區(qū)移動,試件L1、L3~L5的中和軸從加載至試驗(yàn)結(jié)束,分別下移了3.34、1.34、1.47 和1.44 mm.
圖7 截面-應(yīng)變曲線Fig.7 Section - strain curve
各試件荷載-跨中撓度曲線見圖8,在加載初期各試件處于彈性階段,荷載-跨中撓度曲線都呈線性,試件L1在加載后期進(jìn)入塑性階段,曲線斜率變小剛度減小,撓度增長加快,破壞前撓度很大.
圖8 荷載-跨中撓度曲線Fig.8 Load - deflection curves
各試件荷載-跨中撓度曲線特征值見表6.由表5可得,試件L3~L5的抗彎承載力非常相近,加固后木梁的抗彎承載力分別達(dá)完整木梁L1的65.4%、63.5%和61.5%;由表6可得,荷載-跨中撓度曲線與橫軸所包圍的面積,A3>A4>A5,通過面積大小來評定其能量吸收能力,則經(jīng)加固后的試件L3~L5其能量吸收能力分別提高至完整木梁L1的29.58%、27.58%和26.42%(即表6中的面積比);荷載-跨中撓度曲線的原點(diǎn)切線斜率,K5>K3>K4,且其剛度分別提高至完整木梁L1的78.82%、75.88%和85.88%(即表6中的斜率比).試件L3~L5區(qū)別于與試件梁軸平行的CFRP布層數(shù),分別為1層、2層和3層,通過上述比較可知三者的數(shù)值均較為接近,可見CFRP布層數(shù)變化對榫卯接長木梁加固后的抗彎承載力、能量吸收能力和剛度影響不大.
表6 荷載-跨中撓度曲線特征值Tab.6 Characteristic values of load -deflection curves
1)榫卯接長木梁粘貼CFRP布進(jìn)行加固后,其抗彎承載力明顯得到提高,提高至未加固前的29.1~30.9倍,可達(dá)到原木梁(未加工過的完整木梁)的61.5% ~65.4%.
2)木梁截面應(yīng)變基本呈線性關(guān)系,符合平截面假定.在加載后期,受壓區(qū)木纖維逐漸進(jìn)入了塑性狀態(tài),受壓區(qū)高度增大,中性軸向受拉區(qū)移動.
3)由于碳纖維布與木梁之間發(fā)生剝離破壞,此時增加平行于梁軸方向的碳纖維布層數(shù)對榫卯接長木梁的抗彎承載力、能量吸收能力和剛度的影響不大.當(dāng)與梁軸平行的CFRP布粘貼層數(shù),分別為1層、2層和3層時,榫卯接長木梁加固后的抗彎承載力分別可達(dá)完整木梁的65.4%、63.5%和61.5%,能量吸收能力分別達(dá)完整木梁的29.58%、27.58%和26.42%,剛度分別達(dá)完整木梁的78.82%、75.88%和85.88%.
4)為了避免發(fā)生碳纖維布與木梁的剝離破壞,在后續(xù)研究中將開展以平行于木梁軸線方向碳纖維布長度為變化參數(shù)的研究.