玻璃纖維加固木結構的長期蠕變初探★

何鑫巍 薛冬冬 付 雨 朱曉冬*

(東北林業大學材料科學與工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

木材是由纖維素、半纖維素和木質素等多組分構成的一種非均質的、各向異性的天然高分子材料，具有良好的力學性能，具有粘彈性，其應力、應變與時間有依從關系，重量輕，具有較高的強重比，加工制作簡單，從古至今作為優良結構材使用。隨著對木材改性研究的進一步深入，利用木材諸多天然優點，木材可被加工成各種形式的梁、桁架和網狀空間結構等建筑結構用材，也可以用作室內外裝飾用材。木材作為建筑結構用材，與鋼筋混凝土結構相比，一方面具有環保可再生、安全可靠、優良的環境學特性等優點，另一方面也具有橫紋強度低、多木節裂縫、彈性模量小和易受干濕循環影響等缺點，需要進行定期的維護和修復。常用的加固修復方法包括木構件直接替換和設置鋼結構支撐等等，但是這些傳統方法可能會破壞歷史建筑的原有風貌，因施工時間過長影響正常使用，不能廣泛應用于木結構的維修加固中［1-4］。纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Plastic，FRP)加固技術是一種用膠粘劑把FRP粘結在結構外部進行加固，以提高構件承載力的加固方法。FRP優良的材料特性使該加固方法有以下主要技術優勢:高強高效;不影響結構自重及尺寸;施工方便，操作性強，不需要大型施工設備，施工占用空間少，適用于各種類型和形狀部位的加工修補;抗疲勞、耐腐蝕性好［5］。用FRP加固木結構不僅可以提高木質材料作為結構材使用時的承載力、剛度和延性，還可以提高木結構的耐久性和徐變性［6］。但是，在實際使用過程中，溫度、含水率和應力水平等因素對FRP加固木梁的蠕變都有重要的影響。而木材蠕變的精確預測對于木結構中的變形限值設計是必需的，因此本文對不同應力水平下FRP加固木梁的機械吸附蠕變進行研究，為進一步擴展FRP加固木梁技術在工程界的應用提供參考。

1 實驗材料與方法

1．1 實驗材料

本試驗木梁試件采用北方建筑受力構件中常用的落葉松，纖維布采用GFRP，即玻璃纖維布，粘貼用膠粘劑采用環氧樹脂膠粘劑，與固化劑均為市場購買。落葉松木梁不含木節，試件尺寸按照國家標準GB 50005-2003木結構設計規范規定制作，采用400 mm×70 mm×30 mm的試件。環氧樹脂膠粘劑與固化劑均由市場購買，使用配比為4∶1。根據前期研究確定的GFRP加固木梁最佳粘貼工藝，將玻璃纖維增強材料粘貼在木梁的下端面，即木梁受拉面。

1．2 蠕變測試方法

為了研究GFRP加固木梁的機械吸濕蠕變性能，首先需要進行木梁、纖維增強材料和GFRP加固后木梁的基本物理力學性能試驗。參照GB 1935-91木材物理力學性質的試驗方法、美國相關木材試驗標準ASTM D143-94(2000)和GBT 9979-2005纖維增強塑料高低溫力學性能—試驗準則，應用萬能力學試驗機測定極限強度，確定蠕變實驗的載荷水平。

試件蠕變測試采用三點彎曲撓度測量法，兩支點之間間距在試材厚度10倍以上，載荷施加于試件中間，使試件發生純彎曲。在載荷的正上方放置一個千分表，測量精度為0．001 mm，用于測量實驗過程中試件的變形量，如圖1所示。在給定的應力作用下，0 h～1 000 h內，按預先確定的時間間隔，通過千分表測出各試件在不同時刻的應變量。實驗中，蠕變數據的測定在室內，環境溫度在15℃ ～35℃之間，環境相對濕度在20%～50%。

圖1 蠕變測試方法

圖2 不同種類落葉松木梁的長期蠕變測試結果

2 結果與討論

將落葉松木梁分為四組，分別為A(120 kg載荷)，B(140 kg載荷)，C(160 kg載荷)，D(GFRP加固木梁加載160 kg載荷)。應變測試結果如圖2所示。從圖2中可以看出玻璃纖維加固木結構的長期蠕變經歷一個復雜的過程，蠕變前期30 h之前與同種載荷的未加固木材產生變形相似，只有較小的變形，在1 mm～1．2 mm左右。30 h之后普通木梁變形迅速增大，并且載荷越大，變形值越大。玻璃纖維加固木結構的蠕變也會稍微加劇，但變形增加速度明顯小于普通木梁。720 h后玻璃纖維加固木結構與普通木結構的蠕變趨勢相似，都會明顯減小變形增加速率。

3 結語

玻璃纖維加固木結構在蠕變前期30 h之前與同種載荷的木材產生變形相似，在1 mm左右，30 h之后普通木梁變形迅速增大，玻璃纖維加固木結構的蠕變也會稍微加劇，但是變形增加的速度明顯小于普通木梁。720 h后玻璃纖維加固木結構與普通木結構相似，都會明顯減小變形增加速率。玻璃纖維加固木結構在承受相同載荷時可以減小木結構的變形，尤其是在變形快速增大的階段。

［1］Gomez S，Svecova D．Behavior of split timber stringers reinforced with external GFRP sheets［J］．J Compos Constr，2008，12(2):202-211．

［2］Kim YJ，Harries KA．Modeling of timber beams strengthened with various CFRP composites［J］．Eng Struct，2010，32(10):3225-3234．

［3］Pantelides CP，Romero P，Reaveley LD．Rehabilitation of splice connections of wood trusses with FRP composites［J］．Constr Build Mater，2010，24(1):37-45．

［4］馬建勛，蔣湘閩，胡 平，等．碳纖維布加固木梁抗彎性能的試驗研究［J］．工業建筑，2005，35(8):35-39．

［5］盧亦焱，黃銀燊，張號軍，等．FRP加固技術研究新進展［J］．中國鐵道科學，2006，27(3):34-42．

［6］沙 洲，朱曉冬．FRP材料增強木結構研究綜述［J］．森林工程，2012，28(3):57-61．