碳纖維布鋪貼方式對方形長楊木結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能提高試驗(yàn)分析

林金宗

（福建上若工程技術(shù)有限公司，福建廈門 361100）

木結(jié)構(gòu)由于其具有良好的耐久性、抗震性、抗老化性等特點(diǎn)而被廣泛使用[1-2]。但木結(jié)構(gòu)在物理、化學(xué)等復(fù)雜環(huán)境下會出現(xiàn)破損等情況，從而導(dǎo)致其承載力發(fā)生顯著的變化，因此需要采取相應(yīng)的方法來提高其力學(xué)性能[3-6]。如魯艷蕊等得出碳纖維復(fù)合材料布進(jìn)行加固后，構(gòu)件的承載力可以明顯提高[7]。褚少輝等推導(dǎo)了玄武巖纖維布加固墻體的抗剪承載力計(jì)算公式[8]。尹犟等分析了影響輕型木剪力墻受力性能的關(guān)鍵因素及低周反復(fù)加載機(jī)制[9]。阿斯哈等得出木材與筋材之間良好的協(xié)同工作性能是保證其加固效果的基礎(chǔ)[10]。張柳柳等得出將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料用于木構(gòu)件的加固及修復(fù)可改善并彌補(bǔ)木材的缺陷[11]。

上述研究學(xué)者通過加固的方法來達(dá)到提高木結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的目的，本文也采用這一思路，采用碳纖維布來提高楊木結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，與他們不同的是，本實(shí)驗(yàn)還分析了不同的鋪貼方式對楊木結(jié)構(gòu)力學(xué)性能提高的影響。因此可以根據(jù)實(shí)際的使用條件、經(jīng)濟(jì)條件來選取合適的碳纖維布數(shù)量。

1 材料和方法

試驗(yàn)?zāi)静牟捎脰|莞市天嘉裝飾材料有限公司生產(chǎn)的尺寸為100mm*100mm*1200mm 的新疆楊木，其抗拉強(qiáng)度為113.4MPa，彈性模量為10GPa，抗壓強(qiáng)度為41.2MPa，極限拉伸長度約為50.1mm；并且該楊木含水率滿足GB/T 1931-2009《木材含水率測定方法》和GB/T 1928-2009《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法總則》；碳纖維布為北京萬吉建業(yè)建材有限公司生產(chǎn)，其厚度約為0.2mm，寬為400mm，高為30mm，抗拉強(qiáng)度為4300MPa，彈性模量為210GPa；兩種材料之間的粘合劑采用湖南固特邦土木技術(shù)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的固特邦纖維復(fù)合材結(jié)構(gòu)樹脂膠JN-C3P，其抗拉強(qiáng)度約為54.3MPa；彈性模量為3000GPa。

根據(jù)GB/T50329-2002 《木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對方形長楊木結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)測試，通過不同的碳纖維布鋪貼方式設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。具體的為，方案A：延楊木結(jié)構(gòu)全長滿鋪碳纖維布，即需要40 塊碳纖維布；方案B：延楊木結(jié)構(gòu)間隔一塊鋪碳纖維布，即需要20 塊碳纖維布；方案C：延楊木結(jié)構(gòu)間隔三塊鋪碳纖維布，即需要10 塊碳纖維布。結(jié)合生產(chǎn)的滿荷載為1000kN 的壓力機(jī)對三種楊木結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度測試；當(dāng)楊木結(jié)構(gòu)被拉伸破壞后，通過卷尺記錄拉伸長度，即極限拉伸長度。

2 楊木結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律

根據(jù)三種試驗(yàn)方案，對楊木結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。從表1 中可以看出，在楊木結(jié)構(gòu)上鋪碳纖維布能夠明顯的提高楊木結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度，具體的為：當(dāng)采用方案A，即滿鋪碳纖維布時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度比未鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)提高了95.15%；當(dāng)采用方案B，即間隔一塊鋪碳纖維布時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度比未鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)提高了61.89%；當(dāng)采用方案C，即間隔三塊鋪碳纖維布時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度比未鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)提高了24.51%。這是因?yàn)楫?dāng)鋪碳纖維布后能夠使得楊木結(jié)構(gòu)處于三向受壓的狀態(tài)，從而提高楊木結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度[12-14]。

表1 楊木結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度變化

對比方案A 和方案B 可以看出，當(dāng)提高一倍的碳纖維布數(shù)量時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度提高了20.54%；對比方案B 和方案C 可以看出，當(dāng)提高一倍的碳纖維布數(shù)量時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度提高了30.02%。可見隨著碳纖維布的鋪貼數(shù)量越多，楊木結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度提高效率會有所減緩，但抗壓強(qiáng)度值很高，因此可以根據(jù)實(shí)際的使用條件、經(jīng)濟(jì)條件來選取合適的碳纖維布數(shù)量。

3 楊木結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度變化規(guī)律

根據(jù)三種試驗(yàn)方案，對楊木結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。從表2 中可以看出，在楊木結(jié)構(gòu)上鋪碳纖維布能夠明顯的提高楊木結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度，具體的為：當(dāng)采用方案A，即滿鋪碳纖維布時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度比未鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)提高了59.52%；當(dāng)采用方案B，即間隔一塊鋪碳纖維布時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度比未鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)提高了39.15%；當(dāng)采用方案C，即間隔三塊鋪碳纖維布時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度比未鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)提高了19.58%。這是因?yàn)楫?dāng)鋪碳纖維布后能夠與楊木結(jié)構(gòu)共同承受拉力，從而提高楊木結(jié)構(gòu)整體的抗拉強(qiáng)度[15-18]。

表2 楊木結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度變化

對比方案A 和方案B 可以看出，當(dāng)提高一倍的碳纖維布數(shù)量時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度提高了14.64%；對比方案B 和方案C 可以看出，當(dāng)提高一倍的碳纖維布數(shù)量時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度提高了16.37%。可見隨著碳纖維布的鋪貼數(shù)量越多，楊木結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度提高效率會有所減緩，但抗拉強(qiáng)度值提高，因此可以根據(jù)實(shí)際的使用條件、經(jīng)濟(jì)條件來選取合適的碳纖維布數(shù)量。

4 楊木結(jié)構(gòu)極限拉伸長度變化規(guī)律

根據(jù)三種試驗(yàn)方案，對楊木結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限拉伸長度試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。從表3 中可以看出，在楊木結(jié)構(gòu)上鋪碳纖維布能夠明顯的提高楊木結(jié)構(gòu)的極限拉伸長度，具體的為：當(dāng)采用方案A，即滿鋪碳纖維布時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的極限拉伸長度比未鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)提高了40.52%；當(dāng)采用方案B，即間隔一塊鋪碳纖維布時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的極限拉伸長度比未鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)提高了23.15%；當(dāng)采用方案C，即間隔三塊鋪碳纖維布時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的極限拉伸長度比未鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)提高了6.19%。這是因?yàn)楫?dāng)鋪碳纖維布后能夠與楊木結(jié)構(gòu)共同承受拉力，從而提高楊木結(jié)構(gòu)整體的延性[16-20]。

表3 楊木結(jié)構(gòu)極限拉伸長度變化

對比方案A 和方案B 可以看出，當(dāng)提高一倍的碳纖維布數(shù)量時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的極限拉伸長度提高了14.10%；對比方案B 和方案C 可以看出，當(dāng)提高一倍的碳纖維布數(shù)量時(shí)，楊木結(jié)構(gòu)的極限拉伸長度提高了15.98%。可見隨著碳纖維布的鋪貼數(shù)量越多，楊木結(jié)構(gòu)的極限拉伸長度提高效率會有所減緩，但極限拉伸長度值提高，這說明碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料后楊木結(jié)構(gòu)變形能力得到有效改善，如果在地震作用下可以提高楊木結(jié)構(gòu)的抗延性破壞能力。因此可以根據(jù)實(shí)際的使用條件、經(jīng)濟(jì)條件來選取合適的碳纖維布數(shù)量。

5 結(jié)論

1)通過滿鋪碳纖維布、間隔一塊鋪碳纖維布和間隔三塊鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)相對于未鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度分別提高了95.15%、61.89%和24.51%；隨著碳纖維布的鋪貼數(shù)量越多，楊木結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度提高效率會有所減緩，但抗壓強(qiáng)度值很高。

2)通過滿鋪碳纖維布、間隔一塊鋪碳纖維布和間隔三塊鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)相對于未鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度分別提高了59.52%、39.15%和19.58%；隨著碳纖維布的鋪貼數(shù)量越多，楊木結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度提高效率會有所減緩，但抗拉強(qiáng)度值很高。

3)通過滿鋪碳纖維布、間隔一塊鋪碳纖維布和間隔三塊鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)相對于未鋪碳纖維布的楊木結(jié)構(gòu)的極限拉伸長度分別提高了40.52%、23.15%和6.19%；隨著碳纖維布的鋪貼數(shù)量越多，楊木結(jié)構(gòu)的極限拉伸長度提高效率會有所減緩，但極限拉伸長度值很高。