FRP預應力增強膠合木梁受彎性能試驗研究

黃曉波 高榮 劉練

摘 要：為研究纖維增強復合材料（FRP）預應力對膠合木梁受彎性能的增強效果，對5根膠合木梁進行了試驗研究，其中包括未增強木梁、無預應力FRP增強木梁以及FRP預應力增強木梁三種。測試不同類型膠合木梁在受彎后的破壞特征、極限承載力和撓度等參數。結果表明，通過FRP預應力增強能夠有效提高膠合木梁的抗彎承載力和延性，并且施加的預應力越大，增強的效果越好。

關鍵詞：膠合木梁;預應力;FRP;受彎性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.172

0 引言

現代木結構工程中常用的膠合木梁的彎曲破壞大都是由受拉邊的木節、斜紋或機械接頭部位等缺陷引起的脆性破壞，木材強度尤其是受壓強度得不到充分利用[1]，長期以來研究人員不斷探索膠合木梁的增強方法。國內外有許多學者在這方面進行了研究[2-4]，大多是采用將鋼筋或FRP材料以開槽或直接粘貼方式布置在木梁的受拉區，這樣做雖然對木梁的抗彎性能有一定的增強，但其增強效果并不明顯，也未能充分發揮增強材料的高強特性。有部分研究者也在探索利用預應力對膠合木梁進行增強[5-7]，但施加預應力的方法大多采用的是預彎法、張弦法和打孔穿絲等方法，要么施加的預應力的噸位比較小，要么需要在梁體上添加了附加裝置，不利于木梁在實際工程中的應用，或者需要在木梁上打孔開槽，破壞了木材的整體性，影響了加固效果。

本文將通過試驗研究，探討采用FRP片材施加預應力增強膠合木梁的效果，研究不同預應力值大小對膠合木梁的極限承載力和撓度等受彎性能的影響。

1 試驗模型與試驗方法

1.1 材料性能

木梁層板采用重慶本地松木，順紋抗拉強度為52.5MPa，順紋抗壓強度為19.2MPa，彈性模量為8.3GPa;CFRP片材抗拉強度≥2400MPa，彈性模量為170GPa，纖維體積含量≥65%，伸長率≥1.7%;木工膠采用廣州市永特耐木膠貿易有限公司生產的木工接著劑。

1.2 試件制作

本試驗共制作5根層板膠合木梁，梁體截面尺寸均為b×h=80mm×130mm（層板厚度為26mm，共5層粘接而成），跨度均為2400mm。CFRP板的厚度為1.4mm，寬度為50mm。試驗膠合木梁試樣分為未增強木梁、無預應力FRP增強木梁以及FRP預應力增強木梁三組。第一組木梁不進行任何形式增強，直接由層板膠合而成，作為參照對比梁，編號為B0;第二組木梁為無預應力FRP增強木梁，在梁底兩層層板之間全跨順紋膠粘一層無預應力CFRP片材，編號為FB1;第三組為FRP預應力增強木梁，根數為3根，分別施加20kN、40kN和60kN的預應力，其具體CFRP片材布設位置、層數和預應力值大小見圖1。

試驗前將木材層板進行晾曬、打磨，使其表面較為平整，易于粘合。制作木梁時，對B0和FB1木梁，在層板或CFRP片材接觸面之間直接涂刷木工膠粘劑進行粘合，并采用壓力裝置持力壓緊養護2～3天。對于YB1～YB3木梁，首先將CFRP片材與木梁層板進行粘合，然后使用千斤頂對CFRP片材進行張拉施加預應力，以前述同樣方式養護數日后，放松CFRP片材兩端的錨固裝置，此時預應力已通過膠結劑的粘接作用留存在膠合木梁中。

1.3 加載試驗

試驗采用三分點加載，在加載過程中采取防止側向失穩措施，施加的荷載經荷載傳感器傳給靜態應變測量系統。在支座、四分之一跨處以及跨中共設置5個位移計，并在梁跨中截面沿高度均勻設置5片應變片，所有量測數據均由靜態應變測量系統同步采集。試驗過程采用分級加載，前期以約2kN為一級進行遞增，后期按1kN一級遞增，每級持荷穩定2分鐘左右再進行數據采集。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗數據

通過對三組共5根膠合木梁進行了抗彎試驗，得出各根試驗膠合木梁的抗彎極限承載力和跨中極限撓度的數值，其具體情況如表1所示。

2.2 結論分析

根據試驗結果，分析得出以下結論：

（1）經FRP預應力增強后，膠合木梁的抗彎承載力得到明顯提高，并且隨著預應力數值的增大，增強的效果越明顯。預應力增強木梁的極限承載力相比未增強構件提高了20.2%一80.6%;而相比非預應力增強木梁極限承載力提高了12.5%一69.0%;

（2）通過FRP預應力增強后，膠合木梁充分利用了木材的抗壓強度并提高了構件的延性變形性能，降低了木材木節等缺陷對受彎性能的影響，使木梁由受拉脆性破壞變為延性的受壓屈服破壞。預應力增強木梁的延性性能相比未增強構件提高了91.9%一113.0%;而相比非預應力增強木梁極限承載力提高了59.2%一76.6%;

（3）通過試件制作過程中FRP片材放張后伸長量的變化和試件成形后反拱形態的觀察判斷，采用將FRP片材與木材層板膠合錨固的方式對膠合木梁施加預應力，最終預應力的損失較大;

（4）相對于抗彎承載力和延性性能的提高，FRP預應力增強后，膠合木梁的剛度并未得到有效提高，這可能與預應力損失較大有很大關系。

3 結語

經FRP預應力增強后，膠合木梁的抗彎極限承載力和延性性能得到了顯著提高，說明FRP預應力增強膠合木梁在木結構中具有良好的發展前景。但由于試驗條件以及試驗技術的限制，FRP預應力損失過大，膠合木梁剛度未能得到有效增強，這需要在今后的研究中進行更深入地探索。

參考文獻：

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