預應力鋼帶加固裂損木柱軸心受壓性能試驗研究

楊 勇，陳 展，王香云，薛建陽

(西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055)

由于年代久遠，目前大量的木結構古建筑均具有一定程度的破損和開裂，其中，裂損是古代木結構建筑的主要破損形態，而且，在我國還存有大量的木結構民居建筑，這些民居建筑的木梁和木柱也均存在著較為嚴重的開裂損傷，如何對這些裂損木結構構件進行維護和加固對于提高結構安全和保護傳統民居文化具有重要意義.

20世紀末，纖維增強復合材料(Fiber Rein-forced Plastic，簡稱FRP)已經開始被廣泛用于建筑結構的加固補強[1-3].國內外較多學者開展了很多采用FRP加固木結構構件和裂損木結構構件的試驗研究.Emerson[4]對采用玻璃纖維布加固的木橋墩進行了軸心受壓試驗研究.研究結果表明，玻璃纖維布可對加固木柱產生有效約束，加固木柱的承載力提高了17%.Chidiaq[5]對CFRP加固無損傷木柱進行了軸心受壓試驗研究，研究結果表明，加固后木柱的承載力提高了15%～25%.朱雷等人[6]以開裂和CFRP層數為研究參數，研究加固木柱的受力性能.研究結果表明，開裂可使木柱的承載能力和極限位移發生明顯降低，而粘貼CFRP能提高木柱的承載力和延性，且加固木柱的性能隨著CFRP層數的增加而提高.曹海[7]分別采用CFRP 和GFRP對木柱進行加固，并對兩者的加固效果進行了對比分析.研究結果表明，CFRP加固木柱的承載力高于GFRP加固木柱.

由此可知，FRP加固木柱確實能改善木柱受力性能，但是也可以看出，采用FRP加固裂損木結構并不能有效改善木結構構件的受力性能，加固后試件的承載力提高較小.同時，采用FRP加固木柱對木柱剛度提高也比較有限，并且加固費用較高.

為了優化加固方法并降低加固費用，對一批預應力鋼帶加固裂損木柱進行了試驗研究，并對加固后裂損木柱的破壞形態、受力性能開展了部分研究.

1 試驗概況

1.1 試件設計與制作

預應力鋼帶加固裂損木柱試驗中共設置7個試件B1-B7，以鋼帶間距和鋼帶層數為研究參數.其中B1為未加固試件，B2-B7為預應力鋼帶加固試件，未加固試件B1和預應力鋼帶加固試件B2-B7的直徑均為190 mm，7根木柱柱高均為800 mm，所用木材均為東北白松，放置時間超過一年. 試件加固方式如表1.

表1 試件編號及加固方式

試驗前使用預應力鋼帶對試件兩端進行局部加固，以防止試件端部發生局部受壓破壞.各試件的具體形式如圖1.

圖1 構件制作Fig.1 The fabrication of specimens

1.2 鋼帶材性

鋼帶是一種有效的結構構件加固材料，其具有以下特點：強度高；施工和操作方便；質優價廉，適用于實際工程的加固補強；具有較高的耐腐蝕性和耐火性.

本試驗中加固所用的預應力鋼帶的力學性能如下表2.

表2 鋼帶的力學性能

1.3 加載和量測方案

試驗于西安建筑科技大學結構與抗震教育部重點實驗室進行，試驗過程中使用5 000 kN四柱壓力試驗機對試件施加軸向荷載，試驗加載裝置簡圖如圖2所示.

試驗過程中采用位移加載制度，將試件放入四柱壓力機并幾何對中后，開始對試件進行預加載，檢驗加載和量測裝置是否可以正常工作，正常后卸載至零并重新開始加載.試驗時在試件周圍放置2個位移計來量測試件的軸向變形，位移計布置位置見圖2.

圖2 試驗加載裝置Fig.2 Test set-up

1.4 應變片布置

試件應變片布置如下：在所有試件中部沿圓周間隔90°縱向粘貼4個應變片，測量試件的豎向應變；在加固試件豎向中間位置處的預應力鋼帶上橫向粘貼3個應變片，測量預應力鋼帶的環向應變.

2 試驗現象及破壞特征

2.1 試件B1-B7的破壞過程

2.1.1 未加固試件B1

未加固試件B1在加載前柱身有較多干縮裂縫和木節，其中木柱中部兩個木節相對較大.在開始加載后，柱身中部兩個木節處逐漸出現縱向和橫向裂縫；隨著荷載逐漸增大，木節處縱向和橫向裂縫逐漸加寬；最終，兩木節處橫向裂縫貫通，縱向裂縫寬度接近5 mm，木柱折斷，發生脆性破壞.試件破壞過程如圖3.

圖3 未加固木柱B1的破壞過程Fig.3 The failure pattern of unreinforced wooden B1

2.1.2 加固試件B2

試件本身縱向干縮裂縫和木節較多，預應力鋼帶加固完成后，只有部分木節裸露.試驗加載過程中，由于預應力鋼帶的約束作用，試件本身裂縫發展受到明顯限制，木節處縱向和橫向裂縫的數量和寬度明顯降低；最終，試件并未發生明顯破壞.試件形式如圖4.

圖4 加固木柱B2的破壞過程Fig.4 The failure pattern of reinforced wooden B2

2.1.3 加固試件B3

試件本身縱向干縮裂縫和木節較多.加載過程中，由于鋼帶的約束作用，試件裂縫的產生和發展均受到限制，鋼帶間隔位置木節處產生微小的縱向和橫向裂縫；隨著荷載不斷增大，試件本身裂縫逐漸增多；最終，試件頂部預應力鋼帶加固部位大木節處被壓斷，木柱外鼓，試件發生破壞.試件形式如圖5.

圖5 加固木柱B3的破壞過程Fig.5 The failure pattern of reinforced wooden B3

2.1.4 加固試件B4

試件本身縱向干縮裂縫和木節較多，試件中部有兩個不在同一水平面內的木節.加載過程中，當荷載較小時，試件中部木節處逐漸產生縱向和橫向裂縫；隨著荷載逐漸增大，木節處縱向和橫向裂縫的數量和寬度逐漸增加，但明顯少于未加固試件；最終，在極限狀態時，試件因發生折斷而破壞.試件形式如圖6.

圖6 加固木柱B4的破壞過程Fig.6 The failure pattern of reinforced wooden B4

2.1.5 加固試件B5

試件本身同樣存在較多縱向干縮裂縫和木節.在加載過程中，由于預應力鋼帶的約束作用，試件裂縫的產生和發展均受到限制，縱向和橫向裂縫的數量和寬度明顯降低；當荷載逐漸增大，試件節疤處逐漸出現縱向和橫向裂縫；最終，試件因節疤所在處截面被壓斷而發生破壞.試件形式如圖7.

圖7 加固木柱B5的破壞過程Fig.7 The failure pattern of unreinforced wooden B5

2.1.6 加固試件B6

試件存在較多的縱向裂縫和木節，加固后試件頂部部分木節裸露在外.加載過程中，試件裂縫的產生和發展均受到限制，縱向和橫向裂縫發展緩慢；當荷載逐漸增大，試件木節處開始產生微小的縱向和橫向裂縫，并隨著荷載的增大而變寬；在達到極限荷載時，柱身折斷，并在木節處產生斜向滑移面，試件發生破壞，試件形式如圖8.

圖8 加固木柱B6的破壞過程Fig.8 The failure pattern of reinforced wooden B6

2.1.7 加固試件B7

加固前試件存在較多的縱向裂縫和木節.加載過程中，由于預應力鋼帶的約束作用，試件裂縫的產生和發展均受到限制，縱向和橫向裂縫發展較為緩慢；隨著荷載不斷增加，試件表面木節處開始出現橫向和縱向裂縫，且裂縫寬度隨著荷載增大而增大，并且試件逐漸被壓褶皺，直到發生斷裂；達到極限荷載時，試件折斷現象較為明顯，B7的破壞過程與B6相似，試件形式如圖9.

圖9 加固木柱B7的破壞過程Fig.9 The failure pattern of reinforced wooden B7

3 試驗結果分析

通過對各試件的荷載—位移曲線進行分析，對比預應力鋼帶加固試件與未加固試件的承載力、剛度和延性等力學性能的變化情況，研究不同的鋼帶間距和層數對木柱受力性能的影響，驗證預應力鋼帶加固裂損木柱的有效性與可行性.

3.1 荷載—位移曲線

圖10為試件B1-B7的荷載—位移曲線，從圖中可以看出，未加固試件B1在破壞前也出現了塑性階段；但與未加固試件B1相比，使用預應力鋼帶加固后的試件，由于預應力鋼帶的主動約束，加固試件的屈服荷載得到明顯提高，也表現出更好的延性性能.

圖10 試件荷載—位移曲線Fig.10 Load-displacement curve of specimens

對圖10中各試件的荷載—位移曲線進行分析可以得到預應力鋼帶加固試件的承載力和剛度的改善情況.

3.2 承載力

對表3和圖11進行分析可知，使用預應力鋼帶對木柱進行加固能夠顯著提高木柱的承載能力，提高幅度為10%～30%.鋼帶層數和間距對試件的承載能力均有較大影響，表明鋼帶對裂損木柱的加固補強效果明顯.

表3 加固木柱極限承載力提高情況

圖11 試件極限荷載對比圖Fig.11 Ultimate capacity of specimens

3.3 剛度

對圖10進行分析可以得到，預應力鋼帶加固試件B2-B7的荷載—位移曲線斜率與未加固試件B1斜率較為接近，主要原因是由于未加固木柱自身缺陷較多，各試件自身剛度相差較大，從而導致預應力鋼帶加固試件的剛度與未加固試件相比沒有明顯提高.

3.4 承載力影響因素

由于木材自身性能差異較大，且各試件的缺陷也有較大差別，故僅給出一些比較明顯的結論.

(1)強度

木材固有強度對加固木柱的承載力影響較大，木材固有強度越高，加固木柱承載力提高幅度越大.

(2)裂損

通過對試件B1-B7的試驗結果進行分析可知，木柱自身裂損程度極大的限制了加固后木柱的承載力提高幅度.自身裂損越多、越集中，木柱越容易在鋼帶間隙處發生破壞，預應力鋼帶的約束作用越不能得到充分發揮，從而導致試件承載力提高較低.

(3)預應力鋼帶的間距和層數

預應力鋼帶層數相同時，隨著鋼帶間距減小，木柱的承載能力理應有提高，但試驗結果并未有明顯提高，主要原因是由于被加固木柱自身的承載能力相差較大而造成.隨著鋼帶層數增加，鋼帶的約束作用增大，木柱的承載能力得到提高.

3.5 預應力鋼帶加固木柱與FRP加固木柱對比分析

以上研究結果表明，預應力鋼帶加固可對木柱產生有效約束，改善被加固木柱的受力性能.現將預應力鋼帶加固試驗研究結果與邵勁松等學者[8-12]采用FRP加固木柱的試驗結果進行對比，從以下幾方面將預應力鋼帶加固木柱與FRP加固木柱的受力性能進行對比分析.

(1)預應力鋼帶加固木柱與FRP加固木柱在一定程度上都可以對木柱縱向裂縫的發展產生限制. FRP加固木柱的破壞形式有兩種：一種是木節處發生褶皺，木柱外鼓，導致木纖維被拉斷而發生破壞；另一種是相鄰兩木節處的橫向裂縫貫通，導致木柱產生斜向滑移面而發生破壞.這兩種破壞形式都與木材的自身缺陷有明顯聯系.預應力鋼帶加固木柱的破壞形式也與木材自身的強度和缺陷有明顯聯系，鋼帶的間距和層數對其影響較??；

(2)FRP加固木柱可以提高加固木柱的承載能力，并且隨著FRP層數增多或間距減小提高幅度增大.預應力鋼帶加固木柱亦能提高被加固木柱的承載能力，提高幅度為10%～30%.

(3)FRP加固木柱能夠提高木柱的剛度，但改變FRP的層數和間距對試件剛度無明顯影響. 而預應力鋼帶加固木柱對木柱的剛度也無明顯影響.

綜上可知，相比于FRP加固木柱，預應力鋼帶在提高木柱受力性能的同時更可以“主動”對木柱施加約束，避免了鋼帶應力滯后，使兩者可以共同受力，可充分發揮出鋼帶的材料性能，是一種有效的木柱加固技術.

4 加固機理

用預應力鋼帶對木柱進行加固后，由于預應力的作用鋼帶會對木柱產生主動約束，使其在未受軸向壓力作用時，就受到初始環向約束應力.在施加軸向荷載時，被加固木柱處于三向受壓應力狀態，木柱的橫向變形受到鋼帶的有效約束，兩者成為一個整體共同參與受力，降低了鋼帶的應力滯后現象，可以使鋼帶的性能得到充分發揮，被加固木柱的承載能力和延性性能均得到較大提高.

5 結論

(1)預應力鋼帶加固木柱能夠提高木柱的承載能力，提高幅度為10%～30%，其中鋼帶間距對承載力的影響較大；加固后木柱的延性和耗能能力得到改善，但剛度變化不明顯.

(2)預應力鋼帶加固木柱，試件的破壞形態與未加固試件基本相同，但預應力鋼帶加固避免了鋼帶的應力滯后現象，鋼帶對木柱產生主動約束，試件的屈服荷載得到明顯提高，也表現出更好的延性性能.

(3)木柱的自身強度、裂損和木節等缺陷對加固木柱的極限承載力均有較大影響，導致未能體現出不同鋼帶間距和層數的加固效果.

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