左宏亮 卜大偉 郭楠 何東坡

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

玄武巖纖維復(fù)合材料對膠合木梁受彎性能的影響1)

左宏亮 卜大偉 郭楠 何東坡

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

在普通膠合木梁上粘貼玄武巖纖維復(fù)合材料，經(jīng)抗彎試驗(yàn)，檢測不同層數(shù)玄武巖纖維布和玄武巖纖維板對膠合木梁的增強(qiáng)效果。結(jié)果表明：玄武巖纖維復(fù)合材料對膠合木梁受彎性能有很好的增強(qiáng)效果；與未增強(qiáng)的膠合木梁相比，受彎極限承載力提高幅度為20.88%～111.25%，抗彎剛度提高幅度為18.7%～27.6%，延性系數(shù)提高幅度為23.0%～74.3%。對于玄武巖纖維復(fù)合材料配量適中的增強(qiáng)膠合木梁，在受拉區(qū)層板破壞的同時(shí)，受壓區(qū)層板出現(xiàn)壓屈褶皺，木材抗壓強(qiáng)度得到比較充分的發(fā)揮，破壞時(shí)表現(xiàn)出明顯的塑性破壞特征。玄武巖纖維復(fù)合材料的存在，能有效降低木材缺陷對膠合木梁受彎性能的不良影響。

膠合木梁；受彎性能；玄武巖纖維復(fù)合材料

After Pasting the basalt fiber composite material on ordinary glulam beams, we detected the reinforcing effect of glulam beams strengthened with different layers of basalt fiber sheets or basalt fiber boards by experimental work on flexural behavior. Compared with the unreinforced control beam, the flexural behavior of glulam beams with basalt fiber composite material reinforced were better, the ultimate flexural capacity, flexural stiffness and the ductility coefficient were increased by 20.88%-111.25%, 18.7%-27.6% and 23.0%-74.3%, respectively. For the glulam beams reinforced with a moderate amount basalt fiber composite material, the buckling wrinkles appeared in the compression zone laminates when the tensile area laminates were failure, the compressive strength of timber was obtained with more full use, and the destroyed beams showed characteristics of plastic failure obviously. The existing of basalt fiber composite material can effectively reduce the harmful effects on flexural behavior of glulam beams caused by timber defects.

膠合木結(jié)構(gòu)，具有良好的保溫、耐火、抗震及耐久性能，在國內(nèi)外建筑領(lǐng)域應(yīng)用較多，以其舒適美觀、綠色環(huán)保等特點(diǎn)備受關(guān)注，成為代替?zhèn)鹘y(tǒng)木結(jié)構(gòu)的最佳結(jié)構(gòu)形式[1-3]。國內(nèi)外已有學(xué)者對膠合木梁的受彎性能、破壞形態(tài)等，進(jìn)行了研究[4-8]。國外學(xué)者，主要在玻璃纖維、鋼板、碳纖維等新型材料增強(qiáng)膠合木梁的受彎性能方面進(jìn)行了研究。國內(nèi)學(xué)者，則研究了碳纖維復(fù)合材料增強(qiáng)楊木膠合木梁的受彎破壞形態(tài)及破壞機(jī)理，并提出了受彎承載力的計(jì)算公式及建議配筋范圍；也有學(xué)者在膠合木梁連接方式方面進(jìn)行了研究[9]。關(guān)于玄武巖纖維復(fù)合材料，目前國內(nèi)已有采用玄武巖纖維復(fù)合材料加固木梁的試驗(yàn)研究[10]。

膠合木梁受彎時(shí)，發(fā)生脆性受拉破壞和變形較大等缺點(diǎn)，使得木材抗壓強(qiáng)度不能充分發(fā)揮。筆者在普通膠合木梁底部粘貼玄武巖纖維復(fù)合材料，進(jìn)行受彎性能研究。與其他的纖維復(fù)合材料相比，玄武巖纖維復(fù)合材料成本較低、極限應(yīng)變大、延性較好，而且具有耐腐蝕性和較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性[11-12]。本研究試驗(yàn)結(jié)果，可為進(jìn)一步探尋新型膠合木梁的受彎性能、增強(qiáng)膠合木梁的推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

采用東北落葉松制作6根普通層板膠合木梁，矩形截面尺寸為50 mm×150 mm，層板厚度25 mm，共6層膠合而成(見圖1)，長度2 850 mm(見圖2)。為便于比較，設(shè)計(jì)了1個(gè)粘貼1層碳纖維板的試件(見表1)；L2～L6均在距離梁端部75 mm處設(shè)置2道寬度為100 mm、凈距為100 mm的環(huán)形箍，以保證纖維增強(qiáng)材料與木材粘結(jié)錨固可靠。

圖1 試件橫截面(數(shù)值單位為mm)

圖2 試件側(cè)面(數(shù)值單位為mm)

表1 試驗(yàn)梁編號(hào)及增強(qiáng)方案

試驗(yàn)梁選用同一批次的木材。按照文獻(xiàn)[13]進(jìn)行膠合木順紋抗壓試驗(yàn)，按照GB/T 1938—2009《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行木材順紋抗拉試驗(yàn)，測得膠合木抗拉強(qiáng)度125.40 MPa、抗壓強(qiáng)度52.28 MPa、彈性模量13.4 GMPa。

厚度為0.107 mm玄武巖纖維布、1.2 mm玄武巖纖維板、1.2 mm碳纖維板和粘貼膠體，是由專業(yè)生產(chǎn)廠家提供(見表2)。碳纖維膠用于粘貼玄武巖纖維布，粘鋼膠用于粘貼玄武巖纖維板和碳纖維板。

表2 增強(qiáng)材料性能指標(biāo)

采用對稱三分點(diǎn)均勻加載的方式，分級(jí)進(jìn)行加載，通過力傳感器顯示每一級(jí)荷載。加載初期，每級(jí)荷載以預(yù)估極限荷載的10%遞增；達(dá)到預(yù)估極限荷載的50%時(shí)后，每級(jí)荷載以預(yù)估極限荷載的5%遞增，直至加載破壞。每加載1次，標(biāo)記裂縫開展，觀察膠合木梁的破壞現(xiàn)象。

量測內(nèi)容：膠合木梁應(yīng)變、支座沉降、跨中與加載點(diǎn)位移、膠合木梁底部玄武巖纖維復(fù)合材料和碳纖維板應(yīng)變。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)采集。

2 結(jié)果與分析

2.1 破壞形態(tài)及破壞機(jī)理

L1～L6在加載前期，膠合木梁處于彈性階段；當(dāng)荷載不斷增加，撓度不斷增大，膠合木梁自身未出現(xiàn)任何現(xiàn)象；當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的75%左右，試件發(fā)出木纖維拉斷的聲音，L3～L6在受壓區(qū)均出現(xiàn)褶皺現(xiàn)象，之后試件破壞。未增強(qiáng)的膠合木梁，在受拉區(qū)底層層板指接處拉斷；增強(qiáng)后的膠合木梁，受壓區(qū)層板能較好地發(fā)揮作用。試件破壞形態(tài)和破壞機(jī)理：

(1)受拉區(qū)層板脆斷(見圖3(a))。對于未增強(qiáng)膠合木梁的試件(L1)，純彎段受拉區(qū)底層層板指接處被拉斷，而受壓區(qū)層板沒有任何破壞現(xiàn)象；表現(xiàn)為脆性受拉破壞，破壞時(shí)具有突然性。

(2)受拉區(qū)層板破壞，玄武巖纖維復(fù)合材料輕度剝離(見圖3(b))。玄武巖纖維復(fù)合材料配量較少的試件(L2)，受拉區(qū)層板達(dá)到極限拉應(yīng)變后發(fā)生破壞，受壓區(qū)層板未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象；此時(shí)玄武巖纖維布有輕微的剝離現(xiàn)象，仍為脆性受拉破壞，這種剝離破壞是由2種材料間不同的彈性模量引起的。

(3)受拉區(qū)層板破壞，受壓區(qū)層板出現(xiàn)壓屈褶皺和層板間裂縫，玄武巖纖維復(fù)合材料剝離破壞(見圖3(c))。玄武巖纖維復(fù)合材料配量適中的試件(L3～L5)，受拉區(qū)層板首先出現(xiàn)破壞，然后受壓區(qū)層板出現(xiàn)褶皺和層板間開裂的現(xiàn)象，最后由于受拉區(qū)層板拉壞和玄武巖纖維復(fù)合材料嚴(yán)重剝離導(dǎo)致整個(gè)試件破壞。

此破壞，由受拉區(qū)層板的拉壞和受壓區(qū)層板的壓屈共同引起。由于玄武巖纖維復(fù)合材料的極限拉應(yīng)變比膠合木大，所以，玄武巖纖維復(fù)合材料雖然與木材剝離，但最終并未破壞。由于試件L4、L5，比L2、L3剝離嚴(yán)重，所以，玄武巖纖維板比玄武巖纖維布更容易發(fā)生剝離破壞。

另外，L6破壞時(shí)，表現(xiàn)為受壓區(qū)層板壓壞；受拉區(qū)層板間出現(xiàn)膠合破壞，且底層層板發(fā)生部分劈裂現(xiàn)象。由于碳纖維板具有較大的抗拉強(qiáng)度，所以，碳纖維板本身沒有發(fā)生破壞，也沒有出現(xiàn)剝離破壞。

2.2 荷載—跨中撓度曲線

由圖4、表3可見，膠合木梁經(jīng)玄武巖纖維復(fù)合材料和碳纖維板增強(qiáng)后，與未增強(qiáng)的膠合木梁相比：

(1)粘貼2層、4層玄武巖纖維布的試件，極限承載力提高幅度為29.32%、111.25%；粘貼1層、2層玄武巖纖維板的試件，極限承載力提高幅度為20.88%、110.44%；粘貼1層碳纖維板的試件極限承載力提高幅度為115.66%。說明增強(qiáng)膠合木梁的極限承載力，有較大幅度的提高。

(2)試件破壞時(shí)，跨中撓度明顯增加。L1破壞時(shí)，跨中撓度為26.16 mm；L2～L6破壞時(shí)，跨中撓度分別為70.60、55.75、83.39、69.85、109.67 mm，提高幅度為113%～319%。說明膠合木梁增強(qiáng)后，變形能力得到提高。

(3)L3、L5的曲線斜率比L1大，說明增強(qiáng)膠合木梁的抗彎剛度有所增大，提高幅度分別為27.6%、18.7%。理論上，經(jīng)纖維復(fù)合材料增強(qiáng)后的試件，剛度會(huì)有所增加；但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，L2、L4、L6的剛度有所降低，這是由于木材本身離散性較大、粘貼質(zhì)量不好、試驗(yàn)中存在的誤差以及試驗(yàn)樣本數(shù)量較少等因素造成的。

(4)L2～L6延性系數(shù)比L1提高，提高幅度為23.0%～74.3%；說明膠合木梁增強(qiáng)后，延性性能得到一定的改善。

圖4 荷載—跨中撓度曲線

因?yàn)長3、L5采用玄武巖纖維復(fù)合材料增強(qiáng)的試件極限承載力，與L6采用碳纖維板增強(qiáng)的試件極限承載力相接近；說明，粘貼4層玄武巖纖維布、粘貼2層玄武巖纖維板的增強(qiáng)效果，與粘貼1層碳纖維板的增強(qiáng)效果近似。考慮材料單價(jià)和用量，粘貼玄武巖纖維布比粘貼玄武巖纖維板經(jīng)濟(jì)，粘貼玄武巖纖維復(fù)合材料比粘貼碳纖維復(fù)合材料更經(jīng)濟(jì)。

表3 試驗(yàn)極限承載力及延性系數(shù)

注：延性系數(shù)=構(gòu)件最大撓度/屈服時(shí)撓度。

2.3 荷載—應(yīng)變曲線

試件L1～L5的跨中位置荷載—應(yīng)變曲線如圖5所示，左側(cè)為受壓區(qū)，右側(cè)為受拉區(qū)。試件從加載開始至膠合木梁破壞的過程中，受壓區(qū)、受拉區(qū)木纖維應(yīng)變，隨荷載的增加先呈線性變化；在加載后期，部分試件出現(xiàn)彈塑性變形，受壓區(qū)、受拉區(qū)木纖維應(yīng)變呈現(xiàn)非線性變化。L1破壞時(shí)，受壓區(qū)最頂層層板應(yīng)變?yōu)?2.225×10-3；L2～L5破壞時(shí)，受壓區(qū)最頂層層板應(yīng)變分別為-5.888×10-3、-4.137×10-3、-9.304×10-3、-6.531×10-3。說明膠合木梁經(jīng)玄武巖纖維復(fù)合材料增強(qiáng)后，受壓區(qū)木纖維的極限壓應(yīng)變有很大提高，木材的抗壓強(qiáng)度得到了較好地利用，破壞時(shí)塑性破壞特征較為明顯，能夠克服膠合木梁受彎時(shí)抗壓強(qiáng)度不能充分發(fā)揮的缺點(diǎn)。受拉區(qū)層板的極限拉應(yīng)變一般為5×10-3左右，與L1受拉區(qū)層板的極限拉應(yīng)變(3×10-3)相比，拉應(yīng)變提高幅度為66.7%；說明玄武巖纖維復(fù)合材料的存在，可以提高與其相鄰層板的極限拉應(yīng)變，降低了臨近層板缺陷的影響，缺陷處的集中應(yīng)力傳遞給了相鄰玄武巖纖維復(fù)合材料。

2.4 平截面假定的驗(yàn)證

膠合木梁跨中橫截面上的應(yīng)變，基本呈線性分布(見圖6)；因此，設(shè)計(jì)計(jì)算這類材料時(shí)，可以引用平截面假定。

未增強(qiáng)試件L1的跨中截面中性軸位置，從高度的1/2處向受壓區(qū)偏移約5 mm；此現(xiàn)象，是由于膠合木梁層板本身木纖維的紋理分布差異、膠合層面、層板缺陷等所致。加載初期，在極限承載力50%以下的范圍內(nèi)，膠合木梁試件的中性軸位置保持不變，均在其梁高的1/2位置處；加載過程中，增強(qiáng)試件L2～L5的跨中截面中性軸位置，從高度的1/2處略向受拉區(qū)偏移，說明壓區(qū)高度有所增長。這是由于，纖維增強(qiáng)材料的彈性模量大于膠合木的彈性模量，所以，導(dǎo)致增強(qiáng)膠合木梁的中性軸向受拉區(qū)纖維增強(qiáng)材料一側(cè)移動(dòng)。

左側(cè)為受壓區(qū)，右側(cè)為受拉區(qū)。

壓應(yīng)變?yōu)樨?fù)值，拉應(yīng)變?yōu)檎怠?/p>

3 結(jié)論

經(jīng)玄武巖纖維復(fù)合材料增強(qiáng)的膠合木梁，隨著玄武巖纖維復(fù)合材料配量的增加，受壓區(qū)層板的壓應(yīng)變增大，使得木材的抗壓強(qiáng)度得到較充分的發(fā)揮，破壞時(shí)增強(qiáng)膠合木梁的塑性特征更加明顯。

經(jīng)玄武巖纖維復(fù)合材料增強(qiáng)的膠合木梁的受彎承載能力和變形能力均有所提高，其極限承載能力提高幅度為20.88%～111.25%；破壞時(shí)，其撓度提高幅度為113%～219%。

經(jīng)玄武巖纖維復(fù)合材料增強(qiáng)的膠合木梁的抗彎剛度和延性性能得到改善；抗彎剛度提高幅度為18.7%～27.6%，延性系數(shù)提高幅度為23.0%～74.3%。

針對增強(qiáng)材料而言，應(yīng)優(yōu)先選擇玄武巖纖維布對膠合木梁進(jìn)行增強(qiáng)。因?yàn)?，膠合木梁底部粘貼玄武巖纖維布，比粘貼玄武巖纖維板、碳纖維板更不容易發(fā)生剝離破壞，而且粘貼玄武巖纖維布最為經(jīng)濟(jì)。

玄武巖纖維復(fù)合材料增強(qiáng)膠合木梁，跨中橫截面應(yīng)變基本呈線性分布，在設(shè)計(jì)計(jì)算此類材料構(gòu)件時(shí)可以引用平截面假定。

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Effect of Basalt Fiber Composite on Flexural Behavior of Glulam Beams

Zuo Hongliang, Bu Dawei, Guo Nan, He Dongpo(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(4)：91-95.

Glulam beams; Flexural behavior; Basalt fiber composite material

1)黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201217)；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2013-K2-4)。

左宏亮，男，1964年3月生，東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，教授。E-mail：zhl9163@163.com。

2014年10月14日。

S781.23

責(zé)任編輯：張 玉。