木材橫紋抗拉力學(xué)性能改善方法試驗(yàn)研究

劉應(yīng)揚(yáng) 聶熙哲 黎 章 張?zhí)忑R 徐 勇

（鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，鄭州450001）

0 引 言

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)發(fā)展迅速，為中國(guó)建筑產(chǎn)業(yè)的綠色轉(zhuǎn)型提供了可行的解決方案。首先，木材是環(huán)境友好的綠色材料，每生產(chǎn)1 t 鋼材、水泥釋放的二氧化碳（CO2）分別相當(dāng)于0.6 t、0.3 t標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的CO2，而1 t 木材在生長(zhǎng)期內(nèi)可吸收0.7 t 標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的CO2［1］；其次，木材是良好的保溫材料，較混凝土、砌體和鋼材，可有效降低建筑物在使用階段的能源消耗；再次，木結(jié)構(gòu)施工全裝配化，施工設(shè)備更為輕便，大幅縮短現(xiàn)場(chǎng)施工工期并減少對(duì)周邊環(huán)境的影響；最后，木質(zhì)房屋具有自然、舒適、宜居的天然屬性。因此，木材作為結(jié)構(gòu)用材，部分替代混凝土、砌體和鋼材從產(chǎn)業(yè)鏈上減少對(duì)水、空氣和能源的不利影響和減少碳排放，從而帶來(lái)良好的環(huán)境效益。

木材作為成簇纖維組成的材料，橫紋方向的強(qiáng)度較弱，尤其以橫紋抗拉強(qiáng)度為甚，在工程設(shè)計(jì)中一般不考慮該方向的強(qiáng)度［2］。然而，無(wú)論是傳統(tǒng)的榫卯連接，還是現(xiàn)代輔以金屬件的連接形式，在節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)總不可避免地出現(xiàn)橫紋方向的拉應(yīng)力，這成為結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)［3］。因此，有學(xué)者對(duì)木結(jié)構(gòu)的橫紋加固方法進(jìn)行了試驗(yàn)和理論研究，加固方法包括FRP 布加固、設(shè)斜撐法、嵌縫加箍法、自攻螺釘加固等。Brunner 等［4］和楊會(huì)峰等［5］進(jìn)行了CFRP布加固膠合木梁的試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，加固后梁的抗彎剛度和承載力均有所提高；姬卓［6］研究了CFRP 布不同粘貼方式和層數(shù)對(duì)木梁的 加 固 效 果；César Echavarría 等［7］采 用CFRP、GFRP、金屬板、竹纖維等加固膠合木梁，比較了不同材料加固木梁對(duì)于最大承載力和剛度的提高程度；祝恩淳等［8］通過(guò)對(duì)60 個(gè)采用國(guó)產(chǎn)圓釘制作的輕型木結(jié)構(gòu)，研究了其剛度退化和承載力變化規(guī)律；徐天琦等［9］針對(duì)鋼填板-螺栓膠合木梁-柱連接節(jié)點(diǎn)易發(fā)生木材橫紋劈裂脆性破壞的問(wèn)題，提出在鋼填板上下端增設(shè)翼緣以降低木材橫紋拉應(yīng)力或約束木材橫紋裂縫擴(kuò)展。綜合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，針對(duì)木材橫紋力學(xué)性能的研究多集中在整體結(jié)構(gòu)和構(gòu)件性能的改善上，較少涉及木材橫紋抗拉性能的基本測(cè)試方法，即小清樣試件（Small Clear Specimens）受拉試驗(yàn)［10］。為此，本文設(shè)計(jì)木材小清樣試件，考慮了植入自攻螺釘、FRP 布包裹、植入順紋木榫、植入單自攻螺釘加FRP 布包裹組合方式的加固方法，通過(guò)小清樣試件的受拉試驗(yàn)來(lái)研究木材橫紋抗拉性能的改善方法。

1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了7組試件，a組為對(duì)照組，b組為植入單自攻螺釘加固組，c 組為植入雙自攻螺釘加固組，d 組為植入三自攻螺釘加固組，e 組為FRP 布包裹加固組，f組為植入順紋木榫加固組，g組為植入單自攻螺釘加FRP 布包裹組合方式加固組，試件設(shè)計(jì)概況如表1 所示。試件設(shè)計(jì)參考美國(guó)ASTM D143 標(biāo)準(zhǔn)［10］，材料采用中國(guó)白松。試件設(shè)計(jì)的目的是：①研究木材橫紋受拉的破壞機(jī)制；②探索并總結(jié)木材的加固方法及流程；③對(duì)比對(duì)照組和加固組的力學(xué)性能指標(biāo)，分析各方法的差異。

表1 試件設(shè)計(jì)概況Table 1 Overview of specimen design

1.1 試件設(shè)計(jì)

1.1.1 對(duì)照組

對(duì)照組為未加固試件，試件尺寸為63 mm×50 mm×50 mm（長(zhǎng)×寬×高），如圖1 所示。其余各組木構(gòu)件幾何尺寸采用相同的設(shè)計(jì)。需要特別指出的是，本文為初步探索性試驗(yàn)，試件尺寸相對(duì)較小，并未考慮木材的截面尺寸效應(yīng)［11］。

圖1 試件設(shè)計(jì)詳圖（單位：mm）Fig.1 Details of specimen design（Unit：mm）

1.1.2 植入自攻螺釘加固組

本組試件加固沿木構(gòu)件橫紋方向植入自攻螺釘，考慮了自攻螺釘數(shù)量的變化對(duì)木構(gòu)件加固效果的影響，分別植入單個(gè)自攻螺釘、兩個(gè)自攻螺釘以及三個(gè)自攻螺釘。自攻螺釘設(shè)置的邊距和孔距參考了相關(guān)規(guī)范［3］和文獻(xiàn)［12］，各組自攻螺釘?shù)牟贾萌鐖D2所示，自攻螺釘參數(shù)如表2所示。

圖2 螺釘布置圖（單位：mm）Fig.2 Layouts of self-tapping screws（Unit：mm）

1.1.3 FRP布包裹加固組

本組試件加固采用FRP 布環(huán)繞包裹的方法，包裹的方法和設(shè)置原則參考了相關(guān)研究文獻(xiàn)［13-14］。采用一層FRP 布進(jìn)行包裹，接頭處搭接長(zhǎng)度為L(zhǎng)/10（環(huán)繞包裹試件一圈長(zhǎng)度為L(zhǎng)），寬度為6 mm。選用的FRP 布的材性如表3 所示。加固流程如下：①對(duì)試件棱角邊進(jìn)行打磨并清除試件上灰塵、木屑；②將FRP 布進(jìn)行裁剪并確定其粘貼位置；③用環(huán)氧樹(shù)脂膠在試件外表面涂抹均勻并用FRP布進(jìn)行包裹，養(yǎng)護(hù)至膠體完全固化。

表2 自攻螺釘材料參數(shù)Table 2 Material parameters of self-tapping screws

表3 FRP布材料參數(shù)Table 3 Material parameters of FRP

1.1.4 植入順紋木榫加固組

本組試件加固沿木構(gòu)件橫紋方向植入順紋木榫，木榫為直徑8 mm 的圓柱體，其主要加固流程如下：①確定試件表面中心位置并鉆孔，孔直徑為9 mm 且貫穿整個(gè)試件，然后清除孔內(nèi)細(xì)屑；②植入順紋木榫并用環(huán)氧樹(shù)脂填充空隙；③將突出試件表面的木榫用砂紙打磨，使試件表面保持光滑平整，便于加載。試件制作如圖3所示。

圖3 植入順紋木榫加固組Fig.3 Reinforcement group with inserting wooden tenon parallel to grain

1.1.5 植入單自攻螺釘加FRP 布包裹的組合方式加固組

本組試件加固在植入單個(gè)自攻螺釘試件的基礎(chǔ)上，再采用FRP 布包裹的加固方法。其主要加固流程如下：①采用單個(gè)自攻螺釘植入試件并貫穿整個(gè)試件；②將試件棱角處打磨成弧形；③用FRP布對(duì)試件進(jìn)行包裹。試件制作如圖4所示。

1.2 試驗(yàn)裝置及加載制度

試驗(yàn)采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，其加載量程為0～100 kN，同時(shí)設(shè)計(jì)鋼夾具與試驗(yàn)機(jī)連接進(jìn)行加載，如圖5（a）所示。夾具分為上、下兩部分：上部為拉-壓力轉(zhuǎn)換裝置，如圖5（b）所示。設(shè)置壓力傳感器采集試驗(yàn)荷載；下部為木構(gòu)件夾具，并在其兩翼各裝配有一個(gè)位移傳感器，采集試驗(yàn)中木構(gòu)件的變形數(shù)據(jù)，如圖5（c）所示。試驗(yàn)加載速度采用2.5 mm/min，加載至承載力顯著下降（下降至極限荷載的80%）或構(gòu)件出現(xiàn)明顯破壞為止［14］。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得試件含水率為12%～14%。

圖4 植入單自攻螺釘加FRP布包裹組合方式加固組Fig.4 Reinforcement group with inserting single selftapping screw and wrapping with FRP

圖5 試件裝置Fig.5 Specimen device

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞模式

2.1 對(duì)照組

在加載初期試件處于彈性工作階段，試件無(wú)明顯變形。隨著荷載增大，試件出現(xiàn)噼啪聲并開(kāi)始產(chǎn)生細(xì)微裂縫，裂縫從試件一側(cè)出現(xiàn)并迅速向另一側(cè)發(fā)展，隨后試件從中部斷裂，試驗(yàn)終止。對(duì)照組試件的破壞現(xiàn)象如圖6所示。

圖6 對(duì)照組試件破壞現(xiàn)象Fig.6 Failure phenomena for specimens of comparison group

2.2 植入自攻螺釘加固組

單自攻螺釘加固組試件在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，加載初期試件并無(wú)明顯變形。隨著荷載增加，出現(xiàn)噼啪的響聲且裂縫開(kāi)始出現(xiàn)，但出現(xiàn)時(shí)間較對(duì)照組有所推遲。裂縫從兩側(cè)出現(xiàn)并向試件中心區(qū)域發(fā)展，在裂縫形成貫穿時(shí)，由于自攻螺釘?shù)膬?nèi)置拉緊作用，試件并未完全分裂成為兩部分，試件破壞后，斷口與未加固組試件斷口相同。破壞現(xiàn)象如圖7（a）所示。雙、三自攻螺釘加固組試驗(yàn)現(xiàn)象與單自攻螺釘加固組試驗(yàn)現(xiàn)象基本相同，但裂縫出現(xiàn)時(shí)間與單自攻螺釘加固組相比更為推遲，裂縫延伸速度變緩。試件破壞現(xiàn)象如圖7（b）、圖7（c）所示。

圖7 植入自攻螺釘加固組破壞現(xiàn)象Fig.7 Failure phenomenon for reinforcement group with self-tapping screws

2.3 FRP布包裹加固組

初期加載時(shí)試件發(fā)出輕微的噼啪響聲，結(jié)構(gòu)膠出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。隨著荷載增加，試件從一側(cè)出現(xiàn)裂縫向另一側(cè)緩慢延伸，荷載增加到一定值時(shí)裂縫發(fā)展完畢。加載后期試件噼啪響聲增大，F(xiàn)RP布被拉斷且試件被破壞。試件破壞現(xiàn)象如圖8所示。

2.4 植入順紋木榫加固組

試驗(yàn)加載初期時(shí)試件處于彈性階段，出現(xiàn)輕微的噼啪聲但試件外觀沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化。裂縫從兩側(cè)出現(xiàn)向試件中部延伸。裂縫發(fā)展完畢時(shí)木塊中部裂縫處出現(xiàn)粘連現(xiàn)象，表現(xiàn)出與自攻螺釘加固組類似的現(xiàn)象。荷載增加到一定值時(shí)木榫拉出，試件破壞，破壞現(xiàn)象如圖9所示。

圖8 FRP布包裹加固組破壞現(xiàn)象Fig.8 Failure phenomenon for reinforcement group with FRP wrapping

圖9 植入順紋木榫加固組破壞現(xiàn)象Fig.9 Failure phenomenon for reinforcement group with inserting wooden tenon parallel to grain

2.5 植入單自攻螺釘加FRP 布包裹組合方式加固組

加載初期時(shí)木塊出現(xiàn)噼啪響聲且外部包裹的結(jié)構(gòu)膠出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。隨著荷載增加，木塊持續(xù)發(fā)出響聲，裂縫從試件兩側(cè)出現(xiàn)向中部延伸。加載后期聲響變大，當(dāng)荷載達(dá)到一定值時(shí)，F(xiàn)RP布被拉斷同時(shí)自攻螺釘被拉出，試件完全破壞。破壞現(xiàn)象如圖10所示。

圖10 植入單自攻螺釘加FRP布包裹組合方式加固組破壞現(xiàn)象Fig.10 Failure phenomena for reinforcement group with inserting single self-tapping screw and wrapping

3 試驗(yàn)結(jié)果與力學(xué)性能參數(shù)分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

各試件組的荷載—位移曲線如圖11 所示，曲線中的荷載由壓力傳感器測(cè)得，位移由鋼夾具兩側(cè)的位移傳感器測(cè)得。

分析試件的荷載—位移曲線可知：

（1）對(duì)照組與加固組試件的荷載—位移曲線均經(jīng)歷了線性階段。加固組試件對(duì)比對(duì)照組試件在荷載作用下有明顯的屈服階段與破壞階段，其剛度、承載力和延性都有明顯提高。

（2）試件在線性階段表現(xiàn)出良好的一致性；在破壞階段具有一定的離散性，離散性來(lái)源于木材材料性能的隨機(jī)性。

（3）a 組部分試件的破壞階段中荷載出現(xiàn)急劇下降，表現(xiàn)出脆性破壞的特征；c 組、d 組、e 組、f組和g組試件表現(xiàn)出一定的延性；e組試件在木材破壞后FRP 布繼續(xù)承載，曲線表現(xiàn)出一定的強(qiáng)化現(xiàn)象。

3.2 力學(xué)性能參數(shù)分析

峰值荷載PP對(duì)應(yīng)試件荷載—位移曲線中最大承載力，其對(duì)應(yīng)的位移ΔP為峰值位移。以80%PP對(duì)應(yīng)位移為極限位移Δu，參考相關(guān)規(guī)范及文獻(xiàn)［15-16］，以0.4PP作為屈服荷載Py，其對(duì)應(yīng)的位移為屈服位移Δy，以0.4PP與0.1PP連線斜率作為彈性剛度（已消除初始滑移影響）。延性系數(shù)D定義為極限位移Δu與屈服位移Δy的比值。試件的主要力學(xué)性能參數(shù)如表4所示。

分析表4中主要力學(xué)性能參數(shù)可以得出：

（1）植入單自攻螺釘加固組（b 組）的剛度為6.23 kN/mm，相比于對(duì)照組（a 組）的剛度提高了33%。自攻螺釘在木材中具有內(nèi)置拉緊作用，在一定程度上提高了試件的剛度，同時(shí)也可以抑制裂縫的開(kāi)展。b 組試件的承載力為2.05 kN，相比于a組試件的承載力提高了17%，b組延性相對(duì)于a 組提高了50%。由上述數(shù)據(jù)可以看出，植入單自攻螺釘?shù)募庸谭椒▽?duì)其剛度、承載力和延性都有提升，同時(shí)該加固方法操作簡(jiǎn)便，便于在實(shí)際結(jié)構(gòu)中實(shí)施。

（2）植入雙自攻螺釘加固組（c 組）的剛度為6.35 kN/mm，相比于a 組的剛度提高了35%。對(duì)比b 組試驗(yàn)，自攻螺釘數(shù)量的增加，剛度并未得到顯著的提升。從觀察到的破壞現(xiàn)象與破壞后的試件斷面可知，這是由于植入的兩個(gè)自攻螺釘距離較近，過(guò)度削弱了木材的纖維構(gòu)造。因此，在木構(gòu)件加固中自攻螺釘較密，反而會(huì)削弱構(gòu)件的承載力。c 組試件的承載力為2.23 kN，相比于對(duì)照組（a 組）承載力提高了28%，其延性相對(duì)于a 組提高了526%。從試驗(yàn)現(xiàn)象可知，該試件破壞時(shí)裂縫從兩側(cè)出現(xiàn)向試件中心區(qū)域發(fā)展，裂縫延伸速度變緩甚至停止，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間突然斷裂，這是由于裂縫發(fā)展到兩個(gè)自攻螺釘處，自攻螺釘有效地抑制了裂縫的發(fā)展。

圖11 試件荷載-位移曲線Fig.11 Load-displacement curve of specimens

（3）植入三自攻螺釘加固組（d 組）的剛度為6.43 kN/mm，相比于a 組的剛度提升了37%，與c組基本一致。d 組的承載力為3.38 kN，相比于a組承載力增加了94%，較c 組提高了52%。d 組試件延性為5.97，相對(duì)于a 組分別提升了320%，但d組的延性低于c 組。從破壞的試件分析發(fā)現(xiàn)，自攻螺釘數(shù)量增加雖然提高木構(gòu)件的剛度和承載力，但仍應(yīng)保證一定的間距，使其作用充分發(fā)揮。

（4）FRP 布包裹加固組（e 組）的承載力為2.36 kN，比a組試件承載力提高了36%，由于其外部碳纖維布對(duì)其包裹拉緊作用，增強(qiáng)其承載力。e組試件延性為3.78，相比于a 組提升了168%，該加固組的延性提高，這是因?yàn)镕RP 布在構(gòu)件外部形成包裹層，在木構(gòu)件達(dá)到極限出現(xiàn)裂縫后，F(xiàn)RP布作為第二道防線繼續(xù)承載。

（5）植入順紋木榫加固組（f 組）剛度為5.09 kN/mm，其剛度比a 組試件提升了8%，順紋木榫與自攻螺釘類似有一定的內(nèi)置拉緊作用［17］，所以初期對(duì)試件剛度有所增強(qiáng)。f 組試件最大承載力為3.07 kN，其最大承載力比a 組試件提升76%。f組延性為3.68，相對(duì)于a 組提升了161%。木材順紋方向的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于橫紋方向的強(qiáng)度，以順紋木榫修復(fù)，加固木材橫紋方向力學(xué)性能具有可行性。在“以木修木”“修舊如舊”等對(duì)加固修復(fù)材料有嚴(yán)格限制的工程中，該類方法具有一定的優(yōu)勢(shì)。

圖12屈服點(diǎn)確定方法Fig.12 Method for comfirming yield point

表4 試件主要力學(xué)性能參數(shù)Table 4 Mechanical performance parameters

（6）植入單自攻螺釘加FRP 布包裹組合方式加固組（g 組）的剛度為3.44 kN/mm，是a 組的73%。g組最大承載力為2.79 kN，比a組試件最大承載力上升了60%，比FRP 布包裹試件最大承載力上升了18%，比垂直加入單個(gè)自攻螺釘試件最大承載力上升了36%，說(shuō)明此加固方法可以有效改善試件的承載能力。g組延性系數(shù)為6.12，相對(duì)于a 組提升了334%。該組試件說(shuō)明植入自攻螺釘與FRP 布包裹兩種方法可以兼容，但加固效果并不是簡(jiǎn)單的線性疊加。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)42 個(gè)小清樣進(jìn)行了橫紋受拉試驗(yàn)，考慮了4 種加固方法，基于試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得到以下結(jié)論：

（1）植入自攻螺釘加固、FRP 布包裹加固、植入順紋木榫加固、植入單自攻螺釘加FRP 布包裹組合方式加固4 種加固方法均有效地改善了木材橫紋方向受拉性能。試驗(yàn)中試件的開(kāi)裂得到了有效地抑制，剛度、承載力和延性均有所提升。

（2）植入自攻螺釘時(shí)，螺釘?shù)臄?shù)量、間距均會(huì)影響木材橫紋方向的性能。在工程實(shí)踐中，自攻螺釘位置臨近木材邊緣、布置過(guò)密，會(huì)在一定程度削弱木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其延性、承載力降低。

（3）FRP 布包裹加固后試件的承載力、延性等力學(xué)性能得到增強(qiáng)，外包FRP 布加固可以有效抑制節(jié)點(diǎn)裂縫開(kāi)展，并作為構(gòu)件失效過(guò)程中的第二道防線。

（4）植入順紋木榫對(duì)其剛度、承載力與延性都有提升；雖然相對(duì)其他組的改善程度較弱，但在“以木修木”“修舊如舊”等對(duì)加固修復(fù)材料有嚴(yán)格限制的工程中，該類方法具有一定的優(yōu)勢(shì)。FRP布包裹與自攻螺釘植入兩種方法可以兼容，工程中宜綜合運(yùn)用。