纤维增强聚合物复合材料加固小尺度木梁剪切性能的实验与理论研究
摘要
本文介绍了用纤维增强聚合物(FRP)加固的小型木梁在剪跨加固的试验方案，以评价FRP加固的加固效果。 实验变量包括FPR类型、不同的层数和附加配置试验结果表明，碳纤维布(CFRP)抗剪加固总体上强于玻璃纤维布(GFRP)抗剪加固。尤其是纵向粘贴单向CFRP加固木梁的抗剪承载力，单层和双层加固木梁分别提高了32.9%和68.6%。 木梁抗剪跨处横向附着单向FRP筋对抗剪承载力的提高作用不大。双向编织的GFRP与双向附着的单向GFRP相比，提供了有限的抗剪能力的增强。最后，给出了预测FRP加固木梁抗剪承载力的解析解。计算结果与试验结果吻合较好，表明理论推导可以有效地预测FRP筋加固木梁的抗剪承载力。
- 介绍
木材作为一种可再生建筑材料，在建筑结构和桥梁中广泛应用于梁、柱、板等结构构件。而木结构在其使用寿命中，其结构构件的强度退化是不可避免的。一些现有木结构以及砖石、混凝土甚至钢结构迫切需要加强和改造技术，以恢复甚至进一步提高系统中受损构件的结构性能。使用纤维增强聚合物复合材料加固木结构和混凝土结构[1]已被证实是一种有效的方法。FRP加固木梁可以追溯到20世纪60年代[2-4]，在过去的几十年里，对FRP加固木梁进行了大量的研究。
通常情况下，FRP筋通常通过在构件受拉区域表面粘贴FRP板或薄板来实现外部安装，通过在构件受拉区域的沟槽中粘贴钢筋或条来实现内部安装，以及通过近表面安装FRP筋来实现。对碳纤维布加固木梁的试验研究表明，碳纤维布作为抗弯钢筋可以有效改善新旧木梁的抗弯性能[1,5 - 16]。其中，1.8%碳纤维布配筋可使混凝土的抗弯强度和刚度[17]分别提高61.8%和20.6%。此外，与未加筋的梁相比，加筋的木材梁表现出较少的力学性能变化。
由于碳纤维增强塑料筋的相对较高的成本,一些研究人员[8,9,17–21]对木材的弯曲行为进行研究GFRP梁加强。研究表明，采用GFRP可以显著提高木梁的抗弯强度。然而，GFRP对木梁抗弯刚度的提高是有限的。近年来，对BFRP加固木梁抗弯性能的研究也有报道，具有相当的加固效果[7,22 - 24]。Yang等人对混杂纤维增强聚合物(HFRP)加固木梁的抗弯性能进行了试验研究。试验结果表明，与单独使用CFRP或高强GFRP相比，HFRP材料能以较低的成本显著提高加固木梁的延性。
木材是一种吸湿材料，其体积和质量随含水率的变化而波动。然而，FRP复合材料的吸湿性明显低于木材。因此，如果FRP与木材粘结面持续受到环境湿度波动的影响，则粘结界面会产生相当大的应力，即在粘结界面处产生湿热应力。粘结界面上的湿热应力会减弱FRP与木材的粘结，从而导致界面粘结破坏。Raftery等人[26]评估了水分循环对一个精心选择的frp -木材界面粘结质量的影响。结果表明，粘结质量不仅与胶粘剂类型有关，还与FRP类型有关。 对于某一类型的FRP材料，与非湿循环FRP材料相比，湿循环FRP材料的木材破坏率高，抗剪强度好。Raftery等人[27]还使用薄环氧胶结线研究了FRP材料与木材的粘合，并使用特定的粘合剂，经济有效的薄胶结线，证明了FRP-木材界面承受严重湿热应力的能力。 Tascioglu等人[28]研究了经过防腐处理的木材和玻璃/酚醛复合材料界面的粘结耐久性，发现无论是预处理还是后处理，防腐处理对木材和e-玻璃/酚醛拉压板界面的粘结加速耐久性都有显著的负面影响。Zhou等人通过实验和原子研究，研究了FRP-wood复合材料体系的水分效应。结果表明，界面吸收的水分子对多层体系的耐久性至关重要，并找到了控制多层体系失效模式的一般机制。总的来说，含水率的波动对FRP和木材界面的粘结性能有明显的负面影响。因此，仔细选择粘合剂和适当的粘结面制备对于获得FRP和木材之间良好的粘结是非常关键的。
Vahedian等人[30]研究了外粘FRP -木材接缝的粘结性能，提出了基于136个单剪FRP -木材接缝的粘结强度模型。Wan等人[31]进行了纤维增强聚合物(FRP)与木材粘结界面的试验研究，利用基于试验的积分法预测了粘结界面的粘结应力-滑移特性。
文献报道了一些关于木梁抗剪加固和高剪切应力区域修复的研究。Franke等人[32]和Schober等人[33]分别总结了FRP加固在木结构中的潜在应用，包括梁端加固、垂直于纹理的受拉加固、弯曲加固、剪切加固。Triantafillou[34]试验研究了外粘FRP加固木材构件在剪切临界区的力学性能。结果表明，FRP筋的抗剪加固效率可以很高，且在纵向安装时达到最大。内部FRP加固有许多优点，如良好的美观性，减少FRP与梁测表面接触的情况下来加固梁的可能性，安装更方便。Radford等人[35]和Burgers等人[36]报道了用垂直于纹理方向安装的GFRP杆加固铁路桥梁受损梁的大型系列试验。 试验结果表明，损伤梁的抗剪刚度有较大提高。Gentry[37]测试了几根小型和中型胶合木梁，在梁的剪切区域安装垂直于纹理的GFRP杆。试验结果表明，加固效果较好，抗剪承载力提高约50%。采用Svecova和Eden[38]对GFRP钉加固胶合木梁的剪切和弯曲性能进行了研究。结果表明:垂直于木材纹理方向安装的GFRP杆件，在破坏前的承载能力和挠度均有提高;Hay等人为木材纵梁开发了一种具有成本效益的剪切强化技术，这种技术既环保又能形成持久耐用的结构。结果表明，在两端有水平劈裂的木材纵梁中，斜向GFRP比垂直GFRP更有效。Sonti和Gangarao[40]发现使用FRP包装是提高木梁强度和刚度的有效方法。Widmann等人[41,42]试验了一系列beta;= 45°CFRP粗布加固的剪切裂纹全尺寸梁试件。试验结果表明，在该纤维角度下，损伤梁的刚度有相当大的增加。
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