王?？。晔拷?，靳婷婷，袁 卉，趙書平

（北京林業(yè)大學 材料科學與技術學院，木質材料科學與應用教育部重點實驗室，北京 100083）

預應力FRP增強竹木集成材抗彎性能的初步研究

王希俊，申士杰，靳婷婷，袁 卉，趙書平

（北京林業(yè)大學 材料科學與技術學院，木質材料科學與應用教育部重點實驗室，北京 100083）

通過對預應力FRP增強竹木集成材的抗彎實驗，研究了不同預應力FRP對集成材抗彎強度、彈性模量及中性軸的影響，實驗結果表明：在預應力FRP增強竹木集成材中，30%UTS預應力FRP增強竹木集成材的抗彎強度、彈性模量及中性軸偏移最大，抗彎強度達到73.05 MPa，彈性模量7312.80 MPa，相對于無預應力FRP

增強的竹木集成材中性軸向下偏移1.73 mm。并且集成材在一次破壞后，30%UTS、40%UTS預應力FRP增強竹木集成材承受荷載僅分別下降11%, 18%, 而無預應力FRP增強竹木集成材則急劇下降46.80%。

預應力；纖維增強復合材料；集成材；竹材；抗彎性能

纖維增強復合材料（ fi ber-reinforced polymer，簡稱FRP）是單向纖維或者纖維布與樹脂進行復合而成的一種材料。FRP以高強度、低密度特點應用于工業(yè)生產(chǎn)中的各個領域[1]。木材工業(yè)中，集成材是高效利用木材的方式之一，但是相對其他建筑材料，集成材的剛度與強度并沒有明顯優(yōu)勢。

近年來，科研人員研究用FRP增強集成材，取得較大進展[2-4]，并且張鵬翼、陳勇在研究FRP增強集成材力學性能基礎上提出了對FRP施加預應力后增強集成材，使得集成材強度得到大大提高[4-5]。但是由于木材的順紋抗剪強度較小，試驗中發(fā)現(xiàn)當對FRP施加預應力較大時，集成材中與FRP膠合的木材層板端部發(fā)生了劈裂，造成集成材的強度損失。然而研究表明竹材的順紋抗剪強度為15.2 MPa[6]，遠遠大于樟子松的4.13 MPa[7]，因此竹材作為緩沖層在FRP與木材之間抵抗FRP預應力對木材的影響。本文將通過對FRP施加不同大小預應力，分析研究預應力FRP增強竹木集成材的抗彎性能，以期能為預應力FRP增強竹木集成材的進一步研究與應用奠定基礎。

1 實驗材料與設備

1.1 實驗材料

樟子松板材：四面刨光，加工尺寸寬厚為50 mm×20 mm，含水率9.55%。大連龍華木業(yè)有限公司提供。

竹材：展開毛竹竹材，厚度5 mm，產(chǎn)自福建順昌縣，購買于福建順昌大莊竹業(yè)有限公司。

FRP：玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料，尺寸規(guī)格為50 mm×1.4 mm，購買于南京海拓纖維復合材料有限公司。

膠黏劑：普邦S309單組份聚氨酯膠黏劑，由蘇州皇家木業(yè)有限公司提供。

1.2 實驗設備

射流低溫等離子體板材處理機：北京林業(yè)大學工程木質復合材料實驗室，南京蘇曼等離子科技有限公司生產(chǎn)。

集成材拼板機：大連龍華木業(yè)有限公司提供。預應力設備：由山東煙臺黃海機械提供。

2 實驗方法

通過實驗測得FRP的平均極限拉伸強度為1 168.20 MPa。為便于計算以及試驗中控制FRP的預應力張緊設備，取FRP的極限拉伸強度（UTS）為1 000 MPa。

在制作預應力FRP增強竹木集成材試件時，竹材表面刷涂1%濃度KH550水溶液，涂布量為150 g/m2。室溫干燥12小時以上，表面水分揮發(fā)后方可使用。木材層板經(jīng)過目測與打音分等。FRP表面等離子體處理，功率500 W，進給速度2.5 m/min，距焰口距離6 mm。

預應力FRP增強竹木集成材制作時，首先使用預應力設備將FRP張緊，分別張拉至FRP極限拉伸強度（UTS）的0%、10%（100 MPa）、20%（200 MPa）、30%（300 MPa）、40%（400 MPa），然后在木材層板與竹材單面施膠，涂膠量200 g/m2。拼板時竹材的竹青側與FRP進行膠合，木材與竹黃側膠合，在拼板機上以1.2 MPa的壓力冷壓3小時。試件制作完成后，養(yǎng)生3天，然后進行抗彎實驗，圖1為集成材橫截面示意圖。每組試件數(shù)3個。

圖1 FRP增強竹木集成材的組坯示意圖Fig.1 Sketchmap about the group way of glulam strengthened by FRP

集成材抗彎性能的測試試驗依據(jù)GB/T 26899-2011 《結構用集成材》，集成材總長為梁高的22倍；抗彎實驗采用四點彎曲檢測標準，上跨距為梁高的4倍，下跨距為梁高18倍。依據(jù)FRP增強竹木集成材的特點，彎曲強度測試時，需將FRP靠近的一側向下放置。采集加載過程中載荷、撓度及各層板應變數(shù)據(jù)，應變片粘貼在集成材每層層板及FRP的中點處，繪制載荷與撓度的曲線。

圖2 不同預應力FRP增強竹木集成材的抗彎強度Fig.2 The flexure strength of glulams strengthened by prestressed FRP

3 結果與討論

3.1 抗彎強度及彈性模量

所有抗彎破壞試件的破壞形態(tài)都是在抗拉側破壞，實驗中無缺陷抗壓側出現(xiàn)的形變并沒有引起荷載與撓度的明顯變化，因此試件抗拉側破壞是導致試件破壞、喪失承載能力的最主要原因。從圖2，圖3分析，對FRP施加30%UTS預應力增強的竹木集成材荷載最大。并且隨著預應力從0至30%UTS增大，預應力FRP增強竹木集成材抗彎強度、彈性模量總體上呈增大趨勢。30%UTS預應力試件的抗彎強度達到73.05 MPa，彈性模量7 312.80 MPa，而無預應力增強竹木集成材抗彎強度為70.71 MPa，彈模6 802.61 MPa?？梢詳喽A應力FRP對提高材料的抗彎強度及剛度起到了積極的作用。

雖然木材層板經(jīng)過分等，但通過對破壞試件分析， 10%UTS，20%UTS預應力FRP增強竹木集成材上層層板的節(jié)子在壓頭附近有壓潰現(xiàn)象，20%UTS預應力試件達到最大荷載、下層板破壞時，跨中竹材有脫指接現(xiàn)象，這可能是導致在10%UTS，20%UTS預應力試件抗彎強度與彈性模量不符合總體趨勢的原因。40%UTS預應力FRP增強竹木集成材由于預應力過大，F(xiàn)RP與竹材之間界面承受的剪力較大，可能造成界面的損傷，從而不利于應力的傳遞，整體表現(xiàn)為強度及彈性模量的降低。

圖3 不同預應力FRP增強竹木集成材的彈性模量Fig.3 The elasticity modulus of glulams strengthened by prestressed FRP

圖4 不同大小預應力FRP增強竹木集成材中性軸位置Fig.4 The results of neutral axis of glulams strengthened by prestressed FRP

3.2 中性軸位置

預應力FRP增強竹木集成材在不同大小預應力下，在彈性范圍內(nèi)，抗彎試件的各層應變呈現(xiàn)完全的線性關系，因此預應力FRP增強竹木集成材滿足平截面假定。從圖4分析，當FRP預應力為0時，中性軸的位置在58.7 mm處，相對于橫截面幾何中心位置55.7 mm中性軸發(fā)生向下偏移，當FRP預應力為30%UTS時，集成材的中性軸位置在60.43 mm處，相對于無預應力FRP增強的竹木集成材偏移1.73 mm。因此這也表明對FRP施加預應力后，F(xiàn)RP的增強效果增強，對抵抗材料的整體變形貢獻變大。

3.3 撓度與荷載關系

預應力FRP增強竹木集成材在彎曲實驗中有較理想的彈性曲線，但常常沒有明顯的塑形變形階段。在集成材幾乎達到彈性極限荷載同時，集成材的下層板出現(xiàn)拉伸破壞；這是預應力FRP、竹材與木材共同作用的結果。當下層板木材達到塑形變形階段時，預應力FRP與竹材仍然在彈性范圍內(nèi)，荷載增大時，使得集成材整體彈性曲線延長直至下層板木材破壞。從圖5，圖6可以看出，無預應力FRP增強竹木集成材，在下層板破壞后荷載急劇下降46.80%，而隨著預應力的增大，荷載下降的幅度總體呈現(xiàn)下降趨勢。30%UTS、40%UTS預應力FRP增強竹木集成材在一次破壞后，承受荷載僅下降11%，18%。這也表明預應力FRP增強竹木集成材在一次破壞后，仍然具有較高的荷載承載能力；這對于建筑物因外力受到破壞，保持建筑物不發(fā)生坍塌，為幸存者提供逃生時間有著非常重要的現(xiàn)實意義。

圖5 不同大小預應力FRP增強竹木集成材的撓度與荷載曲線Fig. 5 Diagram of the de flection and the load of glulam strengthened by prestressed FRP

圖6 預應力FRP增強竹木集成材一次破壞后的荷載下降率Fig.6 Rate of load decrease of glulam strengthened by prestressed FRP after the fi rst destruction

4 結 論

通過對預應力FRP增強竹木集成材進行抗彎實驗，研究了對FRP施加大小為0、10%UTS、20%UTS、30%UTS及40%UTS預應力對集成材抗彎性能的影響，得到如下結論：

（1）在FRP不同大小預應力條件下，30%UTS預應力FRP增強竹木集成材的抗彎強度及彈性模量最大，抗彎強度達到73.05 MPa，彈性模量7 312.80 MPa。

（2）預應力FRP增強竹木集成材符合平截面假定，且當FRP預應力為30%UTS時相對于無預應力FRP增強的竹木集成材中性軸向下偏移1.73 mm。

（3）預應力FRP增強竹木集成材沒有理想的塑形變形階段，在一次破壞后，無預應力FRP增強竹木集成材則急劇下降46.80%，而30%UTS、40%UTS預應力FRP增強竹木集成材承受荷載僅下降11%，18%，保有更高的荷載承載能力。

通過對預應力FRP增強竹木集成材抗彎性能的初步研究，得到FRP預應力在30%UTS左右時較為理想，但是由于木材的變異性大等原因，對實驗結果規(guī)律性造成一定影響，因此還需對預應力FRP增強竹木集成材的力學性能做進一步研究。

[1]Kadykova Y A, Artemenko S E, Vasil'Eva O V,et al.Physicochemical Reaction In Polymer Composite Materials Made From Carbon, Glass, And Basalt Fibers[J]. Fibre Chemistry, 2003, 35(6): 455-457.

[2]李允峰.玄武巖纖維增強結構用集成材的研究-單組份聚氨酯膠合工藝技術的研究[D].北京:北京林業(yè)大學,2009.

[3]翟志文.落葉松集成材/BFRP膠合工藝研究[D].北京:北京林業(yè)大學,2010.

[4]張鵬翼.玄武巖纖維增強結構用集成材的力學性能研究[D].北京: 北京林業(yè)大學, 2012.

[5]陳 勇.BFRP增強結構用集成材的試驗與有限元分析[D]. 北京:北京林業(yè)大學, 2013.

[6]趙雪松, 王喜明, 塔 娜, 等. 基于ANSYS軟件的竹材曲面受壓過程分析[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報: 自然科學版, 2009,30(1): 224-228.

[7]李雪梅. 基于有限元法木材力學性能模擬及優(yōu)化設計研究[D].呼和浩特: 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學, 2009.

Preliminary study on bending property of wood-bamboo structural glulam reinforced by prestressed FRP

WANG Xi-jun, SHEN Shi-jie, JIN Ting-ting, YUAN Hui, ZHAO Shu-ping
(MOE Key Laboratory of Wooden Material Science and Application, College of Materials Science and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

According tobending experiments of wood-bamboo structuralglulam reinforced by prestressed FRP, the influence of prestressed FRP on bending strength, elastic modulus and the neutral axis was studied. The experimental results are as follows: bending strength, elastic modulus and the shift of neutral axis of wood-bamboo structuralglulam reinforced by prestressed FRP with 30% of ultimate tensile strength(UTS) are most. In addition,they are respectively 73.05MPa, 7312.80MPa, 1.73mm compared with gulam with no prestressing. What’s more, after the fi rst destruction, the load of wood-bamboo structuralglulam reinforced by prestressed FRP with 30% ,40% of UTS respectively declines11%，18% instead of 46.80% of glulam with no prestressing.

prestressing; FRP; gulam; bamboo; bending property

S781.21

A

1673-923X(2016)04-0116-04

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.04.021

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-11-12

國家林業(yè)局引進國際先進林業(yè)科學技術計劃（“948”計劃）項目“高強度纖維增強木質復合材料制造技術引進”（2012-4-20）

王希俊，碩士研究生

申士杰，教授，碩士研究生導師；E-mail：shijies@263.net

王希俊，申士杰，靳婷婷，等. 預應力FRP增強竹木集成材抗彎性能的初步研究[J].中南林業(yè)科技大學學報，2016,36(4): 116-119.

[本文編校：吳 彬]