BFRP筋增強膠合木梁受力性能分析

陳愛軍，賀國京，蔡郭圣，王解軍，彭容新

（中南林業科技大學 土木工程學院，湖南 長沙 410004）

面對嚴重污染的環境、約束趨緊的資源、退化的生態系統，國家大力推進生態文明建設，生態理念深入人心。土木工程師在建筑材料選用方面注重生態環保，推崇建筑與自然和諧，膠合木美觀、可降解、強質比高，越來越得到工程師們的青睞，廣泛應用于工程領域。

膠合木的加工工藝使得木材天然存在的缺陷得到有效分散，其具有原木梁不可比擬的力學性能，但隨著時代的發展，對膠合木構件的力學性能要求有所提高。在短期荷載作用下，膠合木梁的承載力取決于底部受拉層板的抗拉能力及其變形，如底部受拉層存在木節等缺陷，將會直接影響構件的受力性能。普通膠合木梁受彎時，往往以受拉脆性破壞為主[1]，木梁底部有缺陷位置首先出現裂縫，然后裂縫迅速發展，導致工作截面高度減小，截面應力瞬間達到極限值，使整個構件破壞，受壓區木材強度得不到充分的利用，其破壞過程無明顯征兆。

在膠合木梁增強方面，研究人員進行了一些探索，國內外學者主要采用金屬材料、玻璃纖維和碳纖維等材料來增強膠合木梁。楊會峰等[2-4]將CFRP板材置于木材層板之間的方式來增強膠合木梁，對其進行了理論分析及系列試驗研究。Lindyberg R F等[5]共研究了90根FPR增強膠合木梁，通過試驗數據建立了非線性概率加筋膠合木梁模型。陸偉東等人[6-9]提出將CFRP板條豎嵌于膠合木梁底層板的方式增強膠合木梁，研究了其彎曲蠕變性能和抗彎性能，并對其界面黏剪應力做了理論分析和有限元模擬，得到的界面黏剪應力計算公式與有限元分析擬合較好。鞠冬冬[10]研究了CFRP筋增強膠合木梁的抗彎性能，探究了有無粘結及預應力對膠合木梁增強效果的影響。Laura De Lorenzis等[11]研究了CFRP筋與膠合木之間的界面粘結性能及增強梁的受彎性能。文獻[12-15]利用金屬材料對膠合木梁進行增強，發現膠合木梁剛度和受彎極限荷載得到明顯提高。左宏亮等[16]研究了玄武巖纖維材料增強膠合木梁的受彎性能。文獻[17-18]采用玻璃纖維復合材料增強膠合木梁，并研究了其受彎性能。

國內外學者在提高膠合木梁的剛度和極限承載能力等方面取得了大量的研究成果，而采用玄武巖纖維復合筋增強膠合木梁的研究較少。在倡導可持續發展的今天，利用具有可回收、強度高的環保型復合材料勢不可擋。玄武巖纖維復合筋是采用高強度的玄武巖纖維及乙烯樹脂或環氧樹脂在線拉齊、纏繞、表面涂覆和復合成型的新型建筑材料。玄武巖纖維復合筋具有優異的力學性能，質量輕，化學穩定性和電絕緣性能較好，并且玄武巖纖維筋可回收利用，不會產生污染且性價比高。膠合木梁增強筋選擇玄武巖纖維復合筋可謂真正的理想選材。

本研究以東北落葉松為原材料，利用現代膠合技術膠合而成的膠合木梁為研究對象，通過玄武巖纖維復合筋(BFRP筋)增強的膠合木梁進行力學性能研究，為膠合木梁增強研究提供參考。

1 試驗概況

為提高膠合木梁的抗彎剛度，改善其受彎性能，采用新型環保材料BFRP筋來對其進行增強。本研究以東北落葉松為基材，共制作了6組膠合木試驗梁，為了消除木材的變異性對試驗結果的影響，每個試驗組包括3根梁。本研究探討了不同配筋率情況下膠合木梁的破壞形態、剛度和極限承載力。

1.1 試件設計制作

根據《木結構實驗方法標準》[19]（GB/T5039-2012），試件的高跨比不大于1/18時，可不考慮剪切對試件變形的影響，故本試驗木梁的高跨比為1/18。本試驗膠合木梁由6層落葉松鋸材層板膠合而成，層板刨光后厚度為32 mm。試驗膠合木梁尺寸均相同，其尺寸為110 mm×192 mm×3 750 mm（b×h×L）。6組膠合木梁中1組為未增強梁，5組為不同配筋率的BFRP筋增強梁，每根膠合木梁配置2根BFRP筋。試件具體的參數見表1。

表1 膠合木試驗梁分組及編號匯總Table 1 Summary of grouping and numbering of plywood test beams

BFRP筋通過內嵌方式配置在膠合木梁底部，在其底部對稱銑出2個20 mm×20 mm的通長槽，木槽距梁底邊緣20 mm，將BFRP筋放置在槽中，并用環氧樹脂膠將筋與木梁粘結成一整體，如圖1。同時，在增強膠合木梁的兩端增設由鋼板和帶螺母的無縫鋼管組成的錨固裝置（圖2）。

圖1 配筋梁橫斷面(cm)Fig.1 Cross-section of a reinforced beam

圖2 錨固裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of anchorage device

1.2 試件材料

1.2.1 環氧樹脂膠

本試驗所采用的環氧樹脂膠為JN-Z植筋錨固膠。它是改性環氧類高耐腐蝕性、高強度雙組份(A劑和B劑)復合樹脂膠泥，使用時A劑、B劑按2:1的比例混合。該植筋錨固膠安全且無毒，具有強度高、粘結力強、耐久性優異等特點。其劈裂抗拉強度為16 MPa，抗彎強度為70 MPa，抗壓強度為90 MPa。

1.2.2 膠合木

對10個尺寸為20 mm×20 mm×20 mm的落葉松膠合木構件進行了含水率和密度測定試驗，得到其平均含水率為13.02%，平均氣干密度為0.61 g/cm3。參考課題組成員對落葉松試件進行的抗彎及順紋抗壓試驗得到的數據，對其進行換算得到膠合木抗彎彈性模量為11.24 GPa，順紋抗壓強度為47.28 MPa，抗彎強度為58.29 MPa，泊松比為0.36。

1.2.3 BFRP筋

試驗前分別對直徑為8、10、12、14、16 mm的BFRP筋進行了拉伸試驗，每種直徑試樣3根，得到不同直徑BFRP筋的抗拉強度、彈性模量和極限應變等材性參數如下：8、10、12、14、16 mm直徑的BFRP筋抗拉強度平均值分別為1 126、1 049、910、881、857 MPa，其彈性模量平均值分別為51.2、53.0、54.5、54.8、55.4 GPa，其極限拉應變平均值分別為0.021 8、0.019 8、0.016 7、0.016 1、0.015 4。

1.3 試驗加載與測點布置

試驗加載采用圖3所示的三分點加載裝置進行。加載分為預加載和正式加載兩個階段，預加載以消除使梁與支座間的間隙，并檢查試驗裝置的可靠性及試驗儀器是否正常工作。

正式加載采用分級加載，從零開始逐級施加，每級加載荷載增量為5 kN。試件變形趨于穩定后進行下一級加載；當荷載達到預估極限荷載的70%后，每級加載荷載增量為2 kN；當荷載加載到預估極限荷載的85%后，每級加載荷載增量為1 kN，直至試件破壞。

在支座、三分點和跨中位置處各布一個百分表；在梁跨中截面均勻布置6個應變片，并在跨中截面梁底及梁頂各布置2片應變片；在BFRP筋中點位置粘貼2片應變片。并采用配套的應變采集儀全程采集，荷載大小通過力傳感器顯示。測點布置如圖3所示。

圖3 試驗加載示意及測點布置 mmFig.3 Illustration of loading test and layout of measuring points

2 試驗現象

W組、L1～L2組梁在加載初期階段基本處于線彈性階段，加載過程中可聽到木纖維拉斷聲，直至木梁破壞，木梁頂部木材無褶皺現象出現，上緣受壓區材料并沒有得到充分發揮。未配筋膠合木梁底部薄弱位置一旦開裂，裂縫發展較迅速，從底層板迅速發展至其他層板，木梁發生破壞；對于配筋膠合木梁，此時配筋率較低，在加載過程中梁底首先出現裂縫，其發展速度較慢，木梁仍能繼續承受荷載。本試驗中W組、L1～L2膠合木梁發生受拉脆性破壞，其破壞形態如圖4(a)～4(c)所示。

圖4 膠合木梁破壞形態Fig.4 Failure pattern of glued wood beam

L3組膠合木梁在破壞前，木梁頂部木材出現褶皺裂紋。在加載后期有較大的木纖維被拉斷的聲響，膠合木梁產生較大變形，最后受拉側木纖維被拉斷，整個木梁破壞，木梁表現出一定的延性，屬于受拉延性破壞。破壞形態如圖4(d)，膠合木梁受壓側纖維先達到屈服強度，有褶皺產生，繼續加載，受拉側的木纖維達到極限拉應變而被拉壞。

L4～L5組膠合木梁在破壞前，木梁頂部木材出現明顯褶皺和多條裂縫，受壓區被壓壞，發生塑性變形，而受拉側木材卻并未發生破壞；受壓側木纖維已達到極限壓應變發生破壞，受壓區材料抗壓性能得到充分的發揮，木梁破壞前有明顯征兆，并表現出較大的延性，屬于受壓延性破壞。破壞形態如圖4(e)和4(f)所示。

試驗過程中植筋膠沒有出現斷裂，BFRP筋與木梁粘結可靠，直至木梁破壞，各層層板間未出現相對錯動和開膠現象。玄武巖纖維復合筋明顯提高了膠合木梁的剛度，也提高了它的承載力。

通過試驗現象可發現，BFRP筋增強后的膠合木梁破壞類型為受拉脆性破壞、受拉延性破壞和受壓延性破壞。當配筋率ρ≤0.77%時，增強膠合木梁表現為受拉脆性破壞，受壓區材料性能并沒得到充分發揮；當配筋率為0.77%～1.51%之間時，增強膠合木梁表現為受拉延性破壞，受壓區材料性能得到較好的發揮；當配筋率ρ≥1.51%，增強膠合木梁表現為受壓延性破壞，受壓區材料性能也得到充分的發揮，此時，受拉區木材并未發生破壞。

3 結果與分析

3.1 荷載-跨中撓度曲線

圖5為W組、L1～L5組膠合木梁梁的荷載-跨中撓度曲線。

圖5 各組試驗梁荷載-跨中撓度曲線Fig.5 Load-midspan deflection curves of each set of test beams

增強膠合木梁和未增強膠合木梁在加載初期，其荷載-撓度變化關系均類似，但曲線斜率不同，說明膠合木梁剛度得到提高。增強膠合木梁與未增強膠合木梁相比，其抗彎剛度分別提高了7.1%、10.0%、14.6%、21.8%、28.2%。膠合木梁配筋率越大，其整體剛度越大，各組膠合木試驗梁平均剛度值，如表2所示。

表2 各組試驗梁平均剛度Table 2 Average stiffness of each set of test beams

未增強膠合木梁直至破壞其荷載-撓度曲線仍為線性，而增強膠合木梁的荷載-撓度曲線分為兩個階段，在加載后期其荷載-撓度曲線呈現非線性，其剛度減小，撓度變化速度增加；膠合木梁最終破壞時產生較大的變形，表現出較好的延性。說明使用BFRP筋來增強膠合木梁的方法是有效的，增強膠合木梁變形性能得到明顯的改善，其極限承載力和最大撓度均有提高。

3.2 極限荷載

將未增強膠合木梁和不同配筋率的BFRP筋膠合梁試驗結果匯總，如表3所示。

表3 試驗結果匯總表Table 3 Experiment results of of each set of test beams

膠合木梁在梁底開槽配置BFRP筋能提高其極限承載力，配置BFRP 筋增強的膠合木梁與未增強膠合木梁相比，承載力分別提高15.6%、27.8%、36.9%、48.4%、50.5%。

BFRP筋抗拉強度高，將其適當配置在膠合木梁底部時，能降低裂縫的發展速度；試驗梁底層板出現裂縫后，在BFRP筋和受壓區木材共同作用下，膠合木梁仍能繼續承受荷載，膠合木梁的極限承載力得到提高。當配筋率大于1.51%時，膠合木梁的承載力增加幅度較小，膠合木梁已達到超筋狀態，其受壓側強度得到較充分利用，木梁極限承載力不再增加。試驗梁抗彎極限承載力隨BFRP筋配筋率變化，如圖6所示。

圖6 膠合木梁極限承載力與配筋率變化的關系Fig.6 Relationship between ultimate bearing capacity and reinforcement ratio of glulam beam

3.3 荷載-應變曲線

圖7為W、L1～L5組中梁的跨中位置荷載-應變曲線，圖中正應變表示受拉，負應變表示受壓，編號①～⑥分別表示各組膠合木梁梁底第1層至第6層層板應變平均值，編號⑦表示2根BFRP筋應變的平均值。

在加載的初始階段，增強膠合木梁和未增強膠合木梁各測點的應變與荷載為線性增加，到加載后期階段，增強膠合木梁應變曲線向外側偏移，受拉區和受壓區的應變表現出非線性變化，部分試驗梁呈現塑性變形。未增強膠合木梁最底層最大拉應變為3.653×10-3，受壓區最頂層最大壓應變為-3.391×10-3；增強膠合木梁受拉側最底層最大拉應變分別為 4.028×10-3、4.636×10-3、4.910×10-3、5.332×10-3、5.206×10-3，其受壓區頂層壓應變分別為 -3.925×10-3、 -4.244×10-3、-5.232×10-3、-5.311×10-3、-5.129×10-3，膠合木梁破壞時最大拉應變和最大壓應變均有明顯提高。

增強膠合木梁發生受拉脆性破壞時，膠合木梁底部受壓側邊緣木纖維未達到極限應變，受拉側邊緣的木纖維就已經達到其受拉極限強度而發生破壞，膠合木梁在破壞前未顯現出塑性；當膠合木梁發生受拉延性破壞時，膠合木梁受壓側邊緣木材應變已超過其彈性極限應變，膠合木梁呈現出塑性，與此同時，膠合木梁受拉側木材邊緣應變達到其極限拉應變，膠合木梁破壞；膠合木梁發生受壓延性破壞時，其受壓側木材邊緣的應變達到極限壓應變，但受拉側木材邊緣還未達到極限拉應變，膠合木梁表現出較明顯的塑性發展。

圖7 荷載-跨中截面應變曲線Fig.7 Load-strain curves for cross section at midspan

膠合木梁底層板應變與BFRP筋應變變化趨勢基本相同，說明BFRP筋與膠合木梁粘結較好，直至膠合木梁破壞，BFRP筋應變并未達到其極限拉應變，BFRP筋未發生破壞。

試驗中BFRP筋與膠合木梁未產生相對滑移，BFRP筋與膠合木梁能較好的協同工作，BFRP筋可有效阻止裂縫的開展，降低木材缺陷對其受彎的影響，膠合木梁受拉區木纖維應變得到相應的提高。膠合木梁受壓側木纖維的極限應變有較大的提高幅度，說明配置BFRP筋能使木材抗壓強度利用的較充分。配筋率達到一定程度，膠合木梁破壞時表現出明顯的塑性破壞特征，膠合木梁受彎時木材抗壓強度不能充分發揮的缺點得到了有效克服。

4 結 論

本研究主要對不同配筋率的BFRP筋增強膠合木梁進行受彎性能試驗，通過試驗現象和測試數據，得出不同配筋率下膠合木梁的極限承載力、破壞形態，得到以下結論：

1）配置BFRP筋能延遲膠合木梁受拉側木纖維受拉破壞，從而使膠合木梁抗彎性能得到顯著改善。并且隨著配筋率的提高，膠合木梁受壓區層板壓應變增大，受壓區木材強度得到較充分發揮。所以，配置BFRP筋既可以提高膠合木梁抗彎剛度和極限承載力，又可以改善木材缺陷對其受彎性能的影響。

2）與未增強膠合木梁相比，增強膠合木梁極限承載力分別提高15.6%、27.8%、36.9%、48.4%、50.5%，其剛度分別提高7.1%、10.0%、14.6%、21.8%、28.2%。膠合木梁極限承載隨著配筋率的增加而增大，配筋率超過1.51%后，其承載力不再繼續增加。

3）BFRP筋增強膠合木梁的破壞類型可分為受拉脆性破壞、受拉延性破壞、受壓延性破壞三種。當配筋率ρ≤0.77%時，增強膠合木梁呈現受拉脆性破壞，配筋率ρ在0.77%～1.51%之間時呈現受拉延性破壞，當配筋率ρ≥1.51%時，呈現受壓延性破壞。根據不同的破壞類型，BFRP筋增強膠合木梁同樣可分為少筋梁、適筋梁、超筋梁，其配筋率也分別對應于受拉脆性破壞、受拉延性破壞、受壓延性破壞三種類型的配筋率。

4）本研究僅對BFRP增強膠合木梁在短期荷載效應下的抗彎性能進行研究，而實際工程的結構受力是長期的，有待進一步開展BFRP筋增強膠合木梁的長期受力性能比如蠕變性能的研究。同時，應考慮木材缺陷、溫度和濕度變化等對BFRP筋增強膠合木梁蠕變性能的影響。