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      FRP加固木柱在軸壓狀態下的研究情況

      來源:原創論文網 添加時間:2020-01-21

        摘    要: 采用纖維增強復合材料(FRP)加固后的木柱,具有不增加自重、施工簡便、易于替換與修補等優點,同時可為后續的修繕、加固提供有利條件,在木柱加固中具有良好的前景。介紹了FRP在軸心受壓狀態下對木柱力學性能的影響,分析了FRP加固木柱在不同截面類型下的加固機理,并對現有的軸心抗壓強度模型進行了總結。針對目前FRP加固木柱的研究現狀,提出了研究之中存在的不足之處并對相關研究提出一些參考建議。

        關鍵詞: 纖維增強復合材料(FRP); 加固; 木柱; 軸壓;

        Abstract: The use of fiber reinforced composite materials( FRP) after the reinforcement of the wooden column,with no increase in weight,construction is simple,easy to replace and repair and other advantages,at the same time for the subsequent repair and reinforcement to provide favorable conditions,in the reinforcement of the wooden column has a good prospect. This paper introduces the effect of FRP materials on the mechanical properties of wood columns under axial compression,analyzes the strengthening mechanism of wood columns strengthened with FRP materials under different section types,and summarizes the existing axial compression strength models. In view of the current research situation of FRP strengthened wooden columns,the shortcomings in the research were put forward and some suggestions were put forward.

        Keyword: fiber reinforced composite(FRP); reinforcement; wooden poles; axial compression;

        0 、引言

        纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic,簡稱FRP),是由基體材料與纖維材料按一定的比例經成型工藝復合形成,FRP具有高比強度、高模量、抗腐蝕、耐疲勞等優點。FRP始自于20世紀40年代,但由于受到工藝水平和技術成本的限制,僅應用于軍事、航天等高精端領域。自20世紀80年代起隨著工藝水平的提升并且FRP具有提高結構的橫向拉伸強度和剪切強度等優勢,因此FRP被逐步應用于土木工程的領域之中,例如在1981年Meier首次采用碳纖維增強復合材料對橋梁結構進行加固研究[1]。我國在1997年開始引進FRP對土木工程中的建筑構件進行加固,2000年在北京舉辦了首屆FRP混凝土結構學術交流會,為在我國推廣及應用FRP加固技術起到了重要作用[2]。在建筑工程領域中,柱作為結構體系里重要的組成部分,決定結構的整體安全性。傳統木柱的加固方法主要有剔補、墩接加固、化學灌漿、附加斷面法、加鐵箍法等,但傳統加固技術施工復雜且容易對木柱造成不可逆的損傷。采用FRP加固后的木柱,不增加自重、施工簡便、易于替換與修補,同時可為后續的修繕、加固提供有利條件。因此,采用FRP加固木柱具有重要意義。本文針對現階段FRP加固木柱在軸壓狀態下的研究情況進行概述,總結以往學者的研究,并提出幾點建議。
       

      FRP加固木柱在軸壓狀態下的研究情況
       

        1、 FRP類型及其性能

        FRP常見種類有碳纖維增強復合材料(CFRP)、玻璃纖維增強復合材料(GFRP)、芳綸纖維增強復合材料(AFRP)、玄武巖纖維增強復合材料(BFRP)等。FRP主要形式可分為管材、筋材和片材,其中片材分為纖維布和FRP板。目前,FRP相關的加固實際應用與研究多采用纖維布的形式,是由于纖維布的柔韌性較好,適用于不同截面類型的構件并且可現場進行裁剪加固工作,對施工環境和操作工藝要求相對較低,因此被廣泛應用于加固混凝土結構、砌體結構、鋼結構、木結構等,纖維布的主要類型及其力學指標如表1所示[3]。

        表1 纖維布的主要力學性能指標
      表1 纖維布的主要力學性能指標

        2 、FRP對加固木柱的軸壓性能試驗研究

        現階段試驗研究多針對于在軸心受壓狀態下采用FRP加固木柱,研究不同粘貼層數及粘貼方式對木柱的力學性能的影響,如圖1,圖2所示[4]。詳細探究加固木柱在軸壓狀態下的破壞形態、極限承載力、軸心抗壓強度、延性系數、剛度、荷載—位移曲線、荷載—應變曲線等力學特性,并得出相應的結論,為FRP加固木柱應用于實際工程之中提供可靠的依據和參考。


        FRP約束木柱具有良好的約束性能。通過對比未加固柱與加固柱的荷載—應變曲線,可觀察到未加固柱的荷載與應變近似呈線性關系,木柱破壞形態表現為脆性破壞;加固柱的荷載—應變曲線主要分為兩個階段,第一個階段為彈性階段,荷載與應變大致呈線性關系;第二階段為塑性階段,應變增幅速度比荷載增幅速度更快,且具有明顯的塑性流幅,該階段可反映出FRP對木柱的約束作用效果,應變增幅越大表明FRP對木柱的約束作用越好,即FRP對核心木柱起到有效約束[5,6]。

        FRP加固層數對極限承載力有不同程度的提高。在相同加固方式的條件下,加固木柱的極限承載力隨著加固層數的增加有不同程度的提高,但極限承載力不隨加固層數的增加而無限增長,當加固層數到達某一限值,極限承載力開始出現下降趨勢。例如采用AFRP加固木柱,加固層數增加到第3層時,極限承載力呈現下降狀態[4,7]。因此,采用不同的FRP對木柱進行加固時,應首先確定最優加固層數,使加固后木柱的極限承載力提高幅度達到最大值,同時達到經濟合理化和滿足實際應用的要求。

        FRP加固方式對加固效果有不同的影響。采用FRP加固木柱,主要采用沿木柱表面全包裹、局部包裹、間隔包裹的形式,其中因FRP纏繞包裹的角度不同,又可分為環向加固和螺旋加固的形式。通過試驗發現,全面積包裹的加固效果最佳,加固效果與FRP的包裹面積有關,其中從纏繞角度的方面可得出以環向加固優于螺旋加固形式的結論[4,8,9,10]。綜合考慮加固要求和經濟性等因素,可采用半包或者間隔包裹木柱缺陷、薄弱處等部位,但最佳的包裹位置和包裹間距,有待繼續深入研究。

        3 、FRP加固木柱理論研究

        3.1、 加固機理

        根據木柱的截面形狀不同,可分為圓柱和方柱。圓柱表面光滑、無棱角,FRP對核心木柱約束效應呈均勻分布,核心木柱在定值約束應力下產生橫向膨脹,當縱向應力達到木柱的三向受壓應力強度,加固木柱達到極限承載力;方柱由于存在角部作用效應,使FRP對核心木柱約束不均勻,FRP提供的徑向約束力是通過拱效應向木柱傳遞,按照拱效應的強弱程度,將FRP的約束區可分為強約束區和弱約束區,受到強約束的木柱處于三向受壓應力狀態,如圖3所示。

        3.2、 強度模型

        采用FRP的加固設計中,需估算加固后極限承載力和抗壓強度,因此需要建立強度模型為實際的應用與研究提供可靠的依據。現有FRP加固木柱的強度模型,多以FRP加固混凝土柱為參考。已有的FRP約束混凝土柱強度模型[11]多采用式(1):

        其中,f'cc與f'co分別為約束和非約束混凝土的抗壓強度;k1為約束有效性系數。

        周乾[12]參考混凝土強度模型,提出了CFRP約束圓木柱的強度公式,見式(2):

        其中,fr,fc分別為約束和非約束木材的順紋抗壓強度;fc,90為非約束木材的橫紋抗壓強度;k1為約束有效性系數。

        魏洋等人[13]通過試驗研究,提出了FRP約束圓木柱的強度模型,見式(3):

        其中,fw為木材的抗壓強度;fws為加固木柱的抗壓強度;Ef為纖維布彈性模量;εfh為纖維布環向拉應變;tH為環向纖維布厚度;nH為環向纖維布折算層數;d為木柱直徑。

        梁危等人[14]將試驗數據進行擬合,得出FRP約束方木柱的極限抗壓強度模型,見式(5):

        其中,f'f為FRP抗拉強度;fw為實測木材順紋抗壓強度;f'wc與f'w0分別為約束和非約束木材的順紋抗壓強度;α為回歸經驗系數;β為FRP纏繞角度;b為FRP寬度;d為FRP的間隔寬度。

        目前,對于FRP加固木柱的強度模型多參考混凝土柱,研究成果較少且沒有形成統一的強度計算公式,因此需要進一步的試驗研究來驗證其正確性。

        4、 結論與展望

        雖然目前對現有的FRP加固木柱研究已取得了一定的成果,但相關的強度分析需進一步考慮和研究,具體問題和展望如下:

        1)由于木材是各向異性材料,存在木節、裂縫、蟲蛀等多種天然缺陷,同時受到溫度、含水率、蠕變等多種因素影響,預估加固后木柱極限承載力與試驗實際結果誤差較大;

        2)目前現有研究多針對于純圓木柱使用FRP進行加固,但對膠合木方柱的加固研究較少。FRP約束方木柱時存在強、弱約束區,因此確定FRP對木柱核心有效約束面積和與矩形截面的長、寬之間的關系成為關鍵;

        3)現研究的成果中FRP約束方木柱的抗壓強度多根據FRP約束圓形柱的基礎上進行數據擬合得到約束有效系數,僅對部分種類木材進行試驗且試件數量較少,所得理論數值與實際應用的誤差較大且不具有普遍性和代表性;

        4)實際工程多針對于負載狀況的木柱進行加固,但目前研究多對無負載木柱進行加固再進行受力分析,使試驗研究結果與實際工程應用有較大的差距,同時纖維布與木柱之間存在應力滯后問題,需要更深入的研究。

        參考文獻

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