纖維布加固墩接木柱軸壓試驗(yàn)

徐 杰,姜紹飛

(福州大學(xué) 土木工程學(xué)院,福州 350108)

在木構(gòu)架承重體系中,木柱作為木結(jié)構(gòu)建筑的重要傳力構(gòu)件,支撐著上部結(jié)構(gòu),承擔(dān)著由上部梁架傳遞下來的荷載,是一個(gè)結(jié)構(gòu)能否提供生活空間的關(guān)鍵。由于直接與外界環(huán)境接觸,長期服役過程中易在柱根出現(xiàn)腐朽、開裂和蟲蛀等問題。隨著損傷程度的加重,殘損木構(gòu)件的力學(xué)性能退化,嚴(yán)重影響整體結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性[1-2]。因此,探究適合柱根殘損木柱的加固方法對(duì)現(xiàn)存?zhèn)鹘y(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的保護(hù)利用與傳承具有重要意義。

近年來,木柱加固的研究方向逐漸由傳統(tǒng)加固方法[2-3]向新材料[4-5]、新技術(shù)[6-7]層面拓展。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)是一種輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性和耐久性好的加固材料,目前已廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)加固工程,并逐漸在木結(jié)構(gòu)加固工程[8]中嶄露頭角,有望成為傳統(tǒng)鐵質(zhì)加固件的替代品。許清風(fēng)等[9-10]對(duì)局部受損木柱采用順紋木塊替換并用CFRP布包裹進(jìn)行加固,取得了良好的加固效果。周乾等[11]開展了CFRP布包鑲加固柱根糟朽木柱的軸壓試驗(yàn)研究,加固后木柱承載力可恢復(fù)81.4%。阿斯哈[12]和周長東等[13-14]探究了內(nèi)嵌鋼筋外包CFRP布復(fù)合加固木柱的力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)CFRP布與內(nèi)嵌鋼筋相互促進(jìn)、協(xié)同工作,能有效提高木柱的承載能力。朱艷梅等[15-16]對(duì)環(huán)向粘貼的AFRP、BFRP和CFRP布加固后的圓木柱力學(xué)性能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,加固柱承載力、剛度、延性均能得到提高。可見FRP布用于木柱加固能取得較好的加固效果,但以上研究局限于木柱整體加固和局部小修等方面,難以適用于實(shí)際工程中高位糟朽木柱的修復(fù)。

為盡可能保留原有建筑風(fēng)貌,實(shí)現(xiàn)“修舊如舊,極大程度保留原有現(xiàn)狀”的加固理念,常用墩接加固對(duì)木柱進(jìn)行修繕。周乾等[17-18]研究了鐵箍、鋼套加固后的巴掌榫墩接柱的軸壓性能,由于接觸部位應(yīng)力集中嚴(yán)重,試件破壞時(shí)表現(xiàn)出明顯的脆性特征。楊健[19]采用鐵箍對(duì)刻半榫、抄手榫、燕尾榫墩接方式加固的中長木柱進(jìn)行了豎向靜載試驗(yàn),相同墩接高度下,抄手榫加固效果優(yōu)于刻半榫優(yōu)于燕尾榫。許清風(fēng)[20]對(duì)比研究了鋼箍和CFRP布加固巴掌榫和抄手榫墩接短柱的軸壓性能,發(fā)現(xiàn)抄手榫維修效果好于巴掌榫,CFRP布加固效果優(yōu)于鋼箍,但這僅針對(duì)長細(xì)比較小的短柱,與工程中中長柱的受力狀態(tài)存在差異。周乾等[21-22]開展了FRP加固巴掌榫墩接柱的軸壓加載試驗(yàn),加固后木柱承載力基本可得到恢復(fù)。

綜上,鐵件加固整體性差,易造成接觸部位應(yīng)力集中,加速木柱破壞,而采用FRP布加固不易出現(xiàn)應(yīng)力集中、便于后期涂裝修飾且不存在銹蝕等問題,為木柱加固帶來了新的機(jī)遇。但是,目前中長墩接柱加固效果受墩接方式和纖維布種類的影響還不明確,高位糟朽木柱采用墩接加固時(shí),墩接方式和纖維布種類的選型還需進(jìn)行探索。基于此,從4種不同墩接方式和3種不同F(xiàn)RP布入手,開展了10根FRP墩接加固木柱的軸壓試驗(yàn),研究了墩接木柱加固前后的承載力、剛度、延性等力學(xué)性能,分析并總結(jié)了不同加固柱的工作特性和破壞機(jī)制。以期為中國傳統(tǒng)木結(jié)構(gòu)建筑的保護(hù)與修繕提供參考依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 試 驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)與制作

參考閩南民居建造木柱常用長徑比10∶1[23]確定試件尺寸,試驗(yàn)柱柱長與截面直徑分別為1.8、0.18 m。加固柱采用的墩接方式有巴掌榫、刻半榫(帶榫頭的巴掌榫)、抄手榫、直榫,見圖1。墩接長度和墩接高度分別為300、750 mm[24-25],墩接長度(ld)是指木柱沿順紋拼接部分的長度,墩接高度(hd)是上端柱段截?cái)辔恢弥林椎拈L度,詳見圖1。其中,hd大于規(guī)范[24]墩接加固的約定范圍1/4柱高(450 mm),墩接工藝參考文獻(xiàn)[17,24]。傳統(tǒng)墩接柱采用直接拼接的方式進(jìn)行加固,FRP加固柱需在拼接面上均勻涂抹環(huán)氧樹脂進(jìn)行粘接,待環(huán)氧樹脂固化后,在墩接區(qū)通過縱橫雙向全包粘貼FRP布的方式進(jìn)行加固,其中,環(huán)向粘貼層數(shù)為2,縱向粘貼層數(shù)為1[25]。環(huán)向粘貼的FRP布(環(huán)箍)均保證120 mm的搭接長度,縱向粘貼的FRP布(縱帶)與杉木之間也需有足夠的粘貼長度(le),le等參數(shù)和試件分組詳見表1。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Specimen design parameters

圖1 墩接柱示意Fig.1 Spliced column diagram

1.2 材料力學(xué)性能

試驗(yàn)?zāi)静臑楦＝ㄉ寄?其材性參數(shù)的測(cè)定試件均取樣于試件制作預(yù)留的無初始缺陷部位,材性和塑性參數(shù)見表2和3。3種FRP布材性通過實(shí)測(cè)確定,具體材性參數(shù)見表4。粘接木材間的環(huán)氧樹脂采用流動(dòng)性較差的E44型環(huán)氧樹脂AB膠,可操作時(shí)間為2 h,剪切強(qiáng)度可達(dá)12 MPa。FRP布浸漬樹脂參考廠家提供的檢測(cè)報(bào)告,其抗拉強(qiáng)度為60.1 MPa,拉伸彈性模量為2 913 MPa,抗壓強(qiáng)度為96.7 MPa。

表2 福杉材性參數(shù)Tab.2 Material properties of Fujian Fir

表3 福杉塑性參數(shù)Tab.3 Fujian Fir plasticity parameters MPa

表4 FRP布的材性參數(shù)Tab.4 Material properties of FRP sheets

1.3 試驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)量測(cè)方案

1.3.1 試驗(yàn)加載方案

試驗(yàn)在5 000 kN電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上完成,試件兩端均平擺浮擱于試驗(yàn)機(jī)壓板和鋼板上,見圖2。試驗(yàn)采用位移連續(xù)加載,加載速率為0.8 mm/min。為減少正式加載過程中的試驗(yàn)誤差,加載前進(jìn)行幾何軸線對(duì)中和預(yù)壓。預(yù)壓過程中觀察木柱四周應(yīng)變值是否接近,若數(shù)值相差較大則需對(duì)試件位置進(jìn)行調(diào)整,預(yù)壓次數(shù)控制在5以內(nèi)。正式加載后,以荷載下降至極限荷載的70%或出現(xiàn)不適合繼續(xù)加載的現(xiàn)象為標(biāo)準(zhǔn)來判斷試驗(yàn)是否停止。

圖2 試驗(yàn)裝置示意Fig.2 Schematic diagram of test device

1.3.2 試驗(yàn)量測(cè)方案

試驗(yàn)量測(cè)內(nèi)容包括豎向位移、柱中側(cè)移、豎向荷載以及墩接區(qū)應(yīng)變等。在壓力機(jī)上下端板布置位移計(jì)測(cè)量構(gòu)件豎向位移,在1/2柱高位置布置一對(duì)相互垂直的位移計(jì)測(cè)量柱中水平側(cè)移。柱中位置用502膠水粘貼尺寸為30 mm×50 mm的亞克力板,以防止位移計(jì)脫出亞克力板。在柱中沿四周對(duì)稱粘貼縱向應(yīng)變片,在FRP布上對(duì)稱粘貼相互垂直的應(yīng)變片,具體應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。為更準(zhǔn)確地獲取試驗(yàn)加載過程中的豎向荷載,在柱底放置100 t力傳感器測(cè)量。

圖3 應(yīng)變片布設(shè)Fig.3 Strain gauge layout

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象與破壞形態(tài)

2.1.1 完好柱和傳統(tǒng)墩接柱

完好柱整體性好,接近峰值荷載時(shí)于1/3柱高位置發(fā)生沿年輪方向的環(huán)向壓裂,其他部位無明顯破壞。I組試件失效均是由于拼接縫被撐開,形成往兩端延伸的受力裂縫,截面抗彎剛度削弱,木材發(fā)生壓屈和折斷。對(duì)比3種墩接方式加固柱的破壞特征(圖4)可以看出,抄手榫榫頭中心對(duì)稱(C01試件),整體性好,破壞出現(xiàn)在下墩接口,表現(xiàn)為木材壓屈,柱身未嚴(yán)重彎曲。K01試件墩接區(qū)整體性較差,偏壓狀態(tài)下,榫頭反而加劇了墩接區(qū)破壞,導(dǎo)致墩接區(qū)被撐開,承載力削弱。Z01試件整體性最差,僅達(dá)到極限承載力的50%左右卯口就嚴(yán)重開裂,卯口裂縫往兩端貫通,無法繼續(xù)承擔(dān)更大的荷載。事實(shí)上,纖維布加固后,卯口同樣出現(xiàn)了開裂(如圖5),故在墩接高度較大時(shí),應(yīng)盡量避免用直榫墩接。

圖4 傳統(tǒng)墩接柱Fig.4 Traditional spliced wooden columns

圖5 荷載-側(cè)移曲線Fig.5 Load-deflection curve

2.1.2 BFRP加固傳統(tǒng)墩接柱

由圖6可知,Ⅱ組試件破壞都出現(xiàn)在墩接口處,其他區(qū)域基本完好,破壞原因是受壓側(cè)墩接口木材壓屈導(dǎo)致纖維布褶皺和斷裂,進(jìn)而加劇了木柱偏壓破壞發(fā)生,柱身彎曲并伴隨明顯失穩(wěn)特征。不同墩接方式加固柱的區(qū)別在于墩接口木材出現(xiàn)壓潰破壞的時(shí)間次序不同,FZ1

圖6 BFRP加固傳統(tǒng)墩接柱Fig.6 BFRP reinforced conventional spliced columns

與傳統(tǒng)墩接柱相比,FRP布加固后,墩接柱整體性提高,破壞形態(tài)得到明顯改善。FRP縱帶和環(huán)箍的相互促進(jìn)作用還能提高墩接柱的工作性能。

2.1.3 不同F(xiàn)RP加固巴掌榫墩接柱

如圖7所示,試件A21和C21的最終破壞位置均轉(zhuǎn)移至墩接區(qū)域以外且纖維布皺褶主要出現(xiàn)在下墩接口受壓側(cè)。其中,A21破壞出現(xiàn)在靠近柱腳的受壓側(cè),C21破壞出現(xiàn)在半柱身往上的木材質(zhì)地突變部位。試件B21破壞發(fā)生在墩接口受壓側(cè),纖維布褶皺主要出現(xiàn)于上墩接口受壓側(cè)。對(duì)比其最終失效時(shí)的柱身形態(tài)可知,B21試件在上墩接口位置彎曲十分明顯,柱身呈“弓形”。C21試件彎曲集中在柱身上端,但在荷載上升階段,下墩接口木纖維逐漸壓屈,柱身呈“S”形態(tài)。A21試件破壞發(fā)生在靠近柱腳處,但在峰值荷載前未出現(xiàn)其他損傷,柱身并未明顯呈現(xiàn)彎曲形態(tài)。

圖7 不同F(xiàn)RP墩接加固柱破壞形態(tài)Fig.7 Splice columns reinforced with different FRP sheets

如圖5所示,FRP加固試件中,除直榫墩接柱外,其他試件在達(dá)到峰值荷載前柱中側(cè)移很小,柱身撓曲不明顯,但超過峰值荷載后撓曲變形迅速增加,呈現(xiàn)明顯的彎曲失穩(wěn)特征。FRP環(huán)箍縱帶彈性模量大的試件,側(cè)向撓曲更小,墩接區(qū)彎曲不明顯。傳統(tǒng)墩接柱由于木材開裂外張,柱中測(cè)點(diǎn)受到影響,測(cè)量數(shù)據(jù)不能作為參考,予以舍去。

2.2 承載力分析

各試件荷載-位移曲線見圖8,為便于對(duì)比不同試驗(yàn)參數(shù)下試件極限承載力的差異,考慮了制作誤差造成的截面面積差異的影響,分類對(duì)比見圖9。未采用FRP布加固的傳統(tǒng)墩接試件K01、C01、Z01,極限抗壓強(qiáng)度分別恢復(fù)至完好柱的48%、69%、42%,采用BFRP布加固的試件FK1、FC1、FZ1,抗壓強(qiáng)度分別恢復(fù)至完好柱的80%、99%、75%。即采用不同墩接方式加固柱具有以下特征:無論是否采用纖維布加固,抄手榫墩接方式對(duì)軸壓承載力的恢復(fù)最為有利,其次是刻半榫墩接方式,這是因?yàn)槌珠局行膶?duì)稱,偏心受壓狀態(tài)下柱身整體性較好;經(jīng)過BFRP加固后的傳統(tǒng)墩接柱極限承載力相對(duì)未加固墩接柱有較大提升(44%～78%),這是由于FRP布提供了環(huán)向約束,墩接區(qū)木材處于三向受壓狀態(tài)且整體性更好,承載性能提升明顯;經(jīng)過BFRP布加固的抄手榫墩接柱FC1可恢復(fù)至完整柱承載力水平。

圖8 荷載-位移曲線Fig.8 Load displacement curve

圖9 抗壓強(qiáng)度對(duì)比Fig.9 Compressive strength comparison

當(dāng)采用相同層數(shù)FRP布加固且均采用無榫頭巴掌榫墩接時(shí),AFRP、BFRP、CFRP布加固的試件抗壓強(qiáng)度可分別恢復(fù)至完好柱的97%、87%、100%。這是因?yàn)槔w維布提供的縱向和環(huán)向約束為被動(dòng)約束,纖維布彈性模量越大,變形越小,墩接區(qū)木材受力更均勻,變形更協(xié)調(diào),強(qiáng)度恢復(fù)率更高。

2.3 延性分析

由圖8荷載-位移曲線可知,試件上升段和下降段均為近似的斜直線,墩接柱下降段相對(duì)完好柱較為平緩,說明墩接柱變形能力比完好柱要好。為便于定量評(píng)價(jià)試件的變形能力,采用位移延性系數(shù)(u=Δu/Δy)表征各試件延性,試件各特征位移及延性系數(shù)見表5。可以看出,除Z01試件外(未獲取到試驗(yàn)曲線下降段),其他墩接柱延性均相對(duì)完好柱有明顯提升,可見該類柱構(gòu)件的變形能力優(yōu)于完好柱。其中,傳統(tǒng)墩接柱K01和C01延性較完整柱延性均提高了21%,BFRP加固的傳統(tǒng)墩接柱FK1、FC1、FZ1延性分別提高了73%、43%、24%,雖然未能獲取到試件Z01試驗(yàn)曲線的下降段,但從BFRP加固的傳統(tǒng)墩接柱變形能力可推斷,試件Z01延性必定小于試件K01和C01。傳統(tǒng)墩接柱粘貼BFRP布加固后,不僅承載力和剛度能得到提升,變形能力也能得到大幅度提高。對(duì)于不同纖維布加固的巴掌榫墩接柱A21、B21、C21,較完好柱延性分別提高了58%、96%、47%,BFRP加固柱的變形能力明顯比AFRP和CFRP加固柱好。

表5 關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)分析Tab.5 Analysis of key mechanical property indicators

2.4 剛度分析

考慮到在加載前期存在一段虛位移且試件面積差異不便于剛度對(duì)比,取彈性線剛度(ki)作為墩接柱剛度的評(píng)價(jià)指標(biāo),k1參考文獻(xiàn)[25]確定。如表5所示,傳統(tǒng)墩接柱剛度僅恢復(fù)至完整柱剛度的43%～65%,BFRP墩接柱則可恢復(fù)至66%～90%。其中,抄手榫墩接柱剛度恢復(fù)率最大,其次是刻半榫墩接柱,但經(jīng)BFRP加固后,刻半墩接柱FK1與抄手榫墩接柱FC1剛度恢復(fù)水平相當(dāng),并略大于試件B21(無榫頭巴掌榫墩接柱)。對(duì)比3種不同F(xiàn)RP布加固巴掌榫墩接柱剛度可知,CFRP布加固試件剛度可恢復(fù)至完好柱剛度的107%,剛度提升略微偏大,而AFRP布與BFRP布加固后,剛度能恢復(fù)至82%～83%,略低于完好柱,這是因?yàn)楫?dāng)墩接區(qū)軸壓剛度不遠(yuǎn)大于柱體其他區(qū)域剛度時(shí),纖維布彈性模量越大,墩接區(qū)約束越大,墩接柱剛度也越大。

圖10為剛度-位移曲線,可以看出,在加載前期,傳統(tǒng)墩接柱剛度增長速度小于完好柱,經(jīng)過FRP加固后的墩接柱剛度增長速度與完好柱相差不大。而進(jìn)入屈服階段后,與完好柱相比剛度退化不明顯。

圖10 剛度-位移曲線Fig.10 Stiffness-displacement curve

2.5 應(yīng)變分析

木材柱中應(yīng)力-應(yīng)變變化可表征柱體的受力狀態(tài)。由圖11可知,FC1、A21、C21試件達(dá)到了木材屈服強(qiáng)度,極限強(qiáng)度接近木材極限抗壓強(qiáng)度。B21、FK1、FZ1試件接近木材屈服強(qiáng)度,結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象可知,其失效是由木柱墩接口木材壓屈所致,材料強(qiáng)度利用率低于前述試件。相比之下,C01、K01、Z01試件的極限強(qiáng)度均遠(yuǎn)低于木材實(shí)際屈服強(qiáng)度,說明在缺乏FRP布的約束作用時(shí),木材強(qiáng)度無法得到充分發(fā)揮,在達(dá)到材料抗壓強(qiáng)度之前,墩接區(qū)域木材易出現(xiàn)開裂而提前破壞。

圖11 柱中木材應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.11 Stress-strain curve in the middle of the wooden column

由圖12墩接區(qū)荷載應(yīng)變曲線趨勢(shì)可知,巴掌榫墩接柱,位于對(duì)稱位置的FRP橫向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律差異較小,縱向應(yīng)變發(fā)展規(guī)律差異較大,說明墩接區(qū)隨著荷載增加偏壓狀態(tài)越明顯,進(jìn)入屈服階段后最為明顯。抄手榫和直榫墩接柱在屈服前,墩接區(qū)縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變?cè)鲩L規(guī)律大致相同,說明對(duì)稱的墩接方式更加接近軸壓狀態(tài),但隨著荷載的增加,直榫墩接柱出現(xiàn)榫頭開裂,荷載突降,縱向和環(huán)向應(yīng)變前期均大于其他試件,但后期又逐漸恢復(fù)原有狀態(tài)。對(duì)比不同纖維布加固的墩接柱可知,纖維布的環(huán)向約束效率為AFRP布>CFRP布>BFRP布,縱向約束效率為CFRP布>AFRP布>BFRP布。

圖12 墩接區(qū)域FRP應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.12 Stress-strain curve of the FRP shell in the pier connection area

2.6 有限元仿真驗(yàn)證

2.6.1 模型建立

FRP墩接加固柱采用ANSYS19.2有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,木柱采用SOLID45單元模擬,FRP環(huán)箍和縱帶分別采用SHELl181和SHELL41單元模擬。不考慮木節(jié)、裂縫等缺陷的影響,將木材視作正交各向異性的均勻材料,采用ANSYS廣義Hill屈服準(zhǔn)則模擬木材正交各向異性[26],塑性參數(shù)見表3。纖維布則按線彈性材料建模,材料參數(shù)見表4。

建模思路如下:根據(jù)墩接方式分別建立墩接柱原柱上段和墩接下段(圖13);通過CONTA174單元和TARGE170單元模擬墩接區(qū)接觸面和目標(biāo)面(摩擦因數(shù)、接觸剛度等通過試算確定),并設(shè)置0.001 mm的接觸間隙,以模擬墩接區(qū)難以避免的微小間隙和非線性接觸行為;建立FRP殼的有限元模型,并通過CPINF命令耦合墩接柱模型與FRP殼模型之間的自由度(如圖14),即不考慮木材與FRP布之間的黏結(jié)滑移。邊界條件為與試驗(yàn)保持一致,分別在模型兩端約束橫截面內(nèi)的節(jié)點(diǎn)位移,同時(shí)約束一端順紋方向自由度,另一端施加順紋方向的結(jié)點(diǎn)位移,并耦合節(jié)點(diǎn)自由度。

圖13 墩接柱有限元模型Fig.13 Finite element model of pier joint columns

圖14 有限元模型組成Fig.14 Composition of the finite element model

2.6.2 模型驗(yàn)證

對(duì)柱端耦合節(jié)點(diǎn)施加斜坡位移,獲取仿真荷載-位移曲線(圖15),可見與試驗(yàn)曲線規(guī)律基本一致。為能更有代表性地對(duì)比兩者差異,獲取其峰值荷載與剛度進(jìn)行對(duì)比,試驗(yàn)與仿真力學(xué)指標(biāo)對(duì)比見表6,荷載誤差范圍為1.4%～6.9%,剛度誤差范圍為1.5%～14.4%,承載力和剛度的仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相近,即試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)良好。

表6 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比Tab.6 Comparison of test and simulation results

圖15 仿真荷載-位移曲線Fig.15 Simulate load-displacement curves

2.7 工作機(jī)制分析

如圖16所示,FRP墩接加固軸壓木柱大致存在3個(gè)受力階段:彈性工作階段、彈塑性工作階段、破壞階段。加載初期,墩接區(qū)水平拼接面處的木材逐漸被壓緊,單側(cè)承壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿孛娉袎?截面剛度將近增大一倍。彈性工作階段時(shí),FRP環(huán)箍會(huì)逐漸約束墩接區(qū)木材的橫向變形,木材雖處于三向受壓狀態(tài),但由于纖維布提供的是被動(dòng)約束,“套箍效應(yīng)”并不顯著,木材與FRP布始終處于彈性受力狀態(tài),柱身保持豎直。直到墩接口木材出現(xiàn)局部壓屈,墩接柱進(jìn)入彈塑性工作階段,FRP環(huán)箍對(duì)墩接加固區(qū)產(chǎn)生明顯的環(huán)向約束,墩接區(qū)木材出現(xiàn)壓屈,壓屈側(cè)墩接口處的FRP布出現(xiàn)褶皺。達(dá)到峰值荷載后,墩接柱進(jìn)入破壞階段,FRP縱帶縱向約束作用不明顯的墩接柱,墩接口木材出現(xiàn)壓潰,柱身側(cè)向撓曲明顯,受拉側(cè)FRP縱帶拉結(jié)作用明顯。此外,從表觀上看,木柱裸漏部分的非FRP加固區(qū)表現(xiàn)出輕微的體積膨脹和鼓起。

圖16 軸壓墩接木柱工作機(jī)制分析Fig.16 Working mechanism analysis of axial compression spliced wood column

綜上,FRP環(huán)向約束作用抑制了加固區(qū)木材的橫向變形和裂縫的發(fā)展,使加固區(qū)木材處于三向受壓狀態(tài),從而提高了墩接柱的承載能力;縱向約束作用對(duì)加固區(qū)起到一定的拉結(jié)作用,延緩了側(cè)向撓曲的發(fā)生,增強(qiáng)了墩接柱的穩(wěn)定性。在FRP環(huán)箍縱帶的共同約束作用下,墩接柱整體性顯著提升,承載力、剛度得到有效恢復(fù),木柱表現(xiàn)出一定程度的塑性破壞特征。

3 結(jié) 論

1)無約束墩接柱發(fā)生卯口開裂破壞,FRP墩接柱破壞模式隨墩接方式的不同而不同。巴掌榫墩接柱破壞為墩接口壓潰,刻半榫墩接柱為榫頭折斷,抄手榫和直榫表現(xiàn)為卯口開裂折斷。綜合對(duì)比承載力等力學(xué)指標(biāo)知,FRP墩接加固柱墩接方式優(yōu)選順序?yàn)槌珠尽驼崎尽⒖贪腴尽⒅遍尽?/p>

2)長徑比為10∶1、墩接高度為750 mm(>1/4柱高)的墩接柱,未經(jīng)FRP布加固的墩接柱承載力僅恢復(fù)至42%～69%,剛度恢復(fù)至43%～65%;FRP加固墩接木柱可恢復(fù)至原柱承載力的75%～100%,剛度恢復(fù)至66%～107%,延性提升24%～96%,能基本恢復(fù)其原有承載性能,突破了墩接高度的限制。

3)對(duì)比不同F(xiàn)RP布加固的巴掌榫墩接柱力學(xué)性能可知,承載力和剛度順序?yàn)镃FRP布>AFRP布>BFRP布,且采用AFRP和CFRP加固時(shí),承載力十分接近;變形能力順序?yàn)锽FRP布>AFRP布>CFRP布。