陳暑冰 申士杰 范詒杰 吳 睿 羅 文

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber-reinforced Polymer,簡(jiǎn)稱FRP）是由單向纖維或纖維布與樹脂復(fù)合而成的一種材料[1]，具有高強(qiáng)、質(zhì)輕、比模量大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防、交通、體育等領(lǐng)域[2]。常用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）、玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）等。其中CFRP的密度僅為鋼材的1/5，比GFRP還輕；其比強(qiáng)度是GFRP的2倍左右，高強(qiáng)度鋼、超硬鋁的4倍左右；其比模量是上述材料的3倍以上。此外，CFRP還具有耐疲勞、抗蠕變、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良特性[3]。

結(jié)構(gòu)用集成材是以承重為目的，將按等級(jí)區(qū)分的層板（可指接、斜接或拼板）沿纖維方向相互平行，在厚度方向?qū)臃e膠合而成的結(jié)構(gòu)用材[4]。結(jié)構(gòu)用集成材能夠有效減小木材本身節(jié)子、裂紋等缺陷對(duì)其力學(xué)性能的影響，實(shí)現(xiàn)小材大用，劣材優(yōu)用[5]。但是結(jié)構(gòu)用集成材本身也存在一些缺陷，例如，指接位置強(qiáng)度較低，彎曲時(shí)撓度過大等。這些缺陷都限制了結(jié)構(gòu)用集成材的使用，并且結(jié)構(gòu)用集成材的彎曲破壞形式大都是底部脆性拉伸破壞，使得木材抗壓能力得不到充分發(fā)揮。因此，研究人員考慮用其他材料增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材，例如在集成材中添加FRP、鋼筋等增強(qiáng)材料，利用這些材料的高抗拉強(qiáng)度提高結(jié)構(gòu)用集成材的彎曲性能[6-8]。研究發(fā)現(xiàn)單純使用FRP、鋼筋等增強(qiáng)集成材可以在一定程度上提高結(jié)構(gòu)用集成材的彎曲性能，但效果并不太明顯，并且增強(qiáng)材料的性能也得不到充分發(fā)揮[9-11]。因此研究人員進(jìn)一步對(duì)增強(qiáng)材料施加預(yù)應(yīng)力來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材。通過施加預(yù)應(yīng)力可以使集成材產(chǎn)生一定的反拱，進(jìn)而提高集成材的彎曲性能，同時(shí)也使FRP、鋼筋等增強(qiáng)材料的性能得到更充分的發(fā)揮。Peterson[12]提出對(duì)金屬材料施加預(yù)應(yīng)力的方法增強(qiáng)集成材木梁。但金屬材料較FRP有明顯的不足，例如金屬材料抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于FRP，且金屬材料比重小，易腐蝕，穩(wěn)定性不如FRP。研究表明通過對(duì)FRP施加預(yù)應(yīng)力可以顯著提高集成材木梁的極限承載力、抗彎強(qiáng)度，并且使集成材木梁的破壞形式由脆性拉伸破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌貉有云茐腫13-15]。由于FRP的抗拉彈性模量遠(yuǎn)大于木材的抗拉彈性模量，因此用FRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材時(shí)需要解決FRP與木材的錨固問題[15]。單純使用膠合錨固的方式，不適合對(duì)FRP施加較大的預(yù)應(yīng)力，因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力施加過大會(huì)導(dǎo)致FRP與木材層板分層剝離，甚至可能使木材層板端部劈裂[17-18]。但是預(yù)應(yīng)力施加量過小增強(qiáng)效果不明顯。因而，該實(shí)驗(yàn)采用了膠合和機(jī)械錨固相結(jié)合的方式，以確保對(duì)CFRP施加較大預(yù)應(yīng)力的情況下，木材與CFRP不出現(xiàn)分層剝離和木材層板剪切破壞的現(xiàn)象；通過對(duì)CFRP施加不同的預(yù)應(yīng)力，分析不同預(yù)應(yīng)力施加量對(duì)CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材抗彎性能的影響，為進(jìn)一步研究和應(yīng)用預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

木材層板：美國(guó)花旗松（Pseudotsuga menziesii），產(chǎn)地加拿大，密度為0.54 g/cm3，含水率為11.12%，大連龍華木業(yè)有限公司提供。根據(jù)GB/T 1938—2009 《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法》、GB/T 1935—2009《木材順紋抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法》和GB/T 26899—2011《結(jié)構(gòu)用集成材》分別測(cè)得木材層板的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量，數(shù)據(jù)見表1。

表1 花旗松物理力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of Douglas fir

CFRP：帶錨具的CFRP片材，尺寸規(guī)格5 780 mm×50 mm×1.4 mm。性能參數(shù)由廠家提供，拉伸強(qiáng)度2 571 MPa,伸長(zhǎng)率0.42%，彈性模量542 GPa。

膠黏劑：瑞士普邦單組份聚氨酯HB S309，大連龍華木業(yè)提供。

HMR偶聯(lián)劑：自行配置，各組分質(zhì)量占比為：去離子水90.43%、間苯二酚3.34%、37%的甲醛溶液3.79%、氫氧化鈉2.44%。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

射流低溫等離子體板材處理機(jī)（南京蘇曼等離子科技有限公司）；

JHBH-18T型荷重傳感器（江蘇省儀表廠）；

裁邊鋸、壓刨機(jī)、四面刨、推臺(tái)鋸、立式拼板機(jī)、預(yù)應(yīng)力施加裝置（煙臺(tái)黃海木工機(jī)械有限公司）；

IMC動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（64通道，德國(guó)imc集成測(cè)控有限公司）；

YHD-120型位移計(jì)（江蘇省儀表廠）；

120歐姆電阻應(yīng)變片（中航工業(yè)電測(cè)儀器有限公司），長(zhǎng)100mm；

AG-IS 100kN萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)（日本島津公司）。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)通過對(duì)CFRP施加不同的預(yù)應(yīng)力，分析不同預(yù)應(yīng)力下結(jié)構(gòu)用集成材的抗彎性能。根據(jù)CFRP生產(chǎn)廠家提供的性能參數(shù)及使用說明，CFRP使用時(shí)的最大拉伸強(qiáng)度應(yīng)控制在其極限拉伸強(qiáng)度的70%以內(nèi)。因此實(shí)驗(yàn)中對(duì)其最大預(yù)應(yīng)力施加量設(shè)為120 kN，即66%的預(yù)應(yīng)力施加量。根據(jù)理論分析以及前人研究：在保證FRP與木材不發(fā)生剪切破壞的情況下，預(yù)應(yīng)力越大，集成材木梁反拱越大，增強(qiáng)效果越明顯。因此實(shí)驗(yàn)取120 kN為最大預(yù)應(yīng)力施加量，并向下取105、90 kN兩個(gè)預(yù)應(yīng)力值，表2為具體的實(shí)驗(yàn)組設(shè)置。

表2 實(shí)驗(yàn)組設(shè)置Tab.2 Experimental group settings

2.2 結(jié)構(gòu)用集成材制備與性能檢測(cè)

花旗松板材經(jīng)壓刨、裁邊、指接、四面刨光等工序制成5 760 mm×50 mm×32 mm規(guī)格的層板。然后依次用射流低溫等離子體和HMR偶聯(lián)劑處理與CFRP膠合的木材層板，以提高木材表面活性，增強(qiáng)木材與CFRP的膠合強(qiáng)度。等離子體處理工藝為：處理速度2.5 m/min，等離子體射頻功率400 W，處理5次，噴槍距木材層板表面10mm。HMR偶聯(lián)劑涂布量為150 g/m2，涂布后的層板需靜置24 h，待木材層板表面水分完全蒸發(fā)后方可使用。按圖1方式進(jìn)行組坯膠合（集成材層板數(shù)為9），根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案施加預(yù)應(yīng)力，每個(gè)試驗(yàn)組制備3個(gè)試件。層板單面涂膠，涂膠量180 g/m2，壓力1.2 MPa，壓合時(shí)間90 min。

圖1 預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材示意圖Fig.1 Diagram of prestressed CFRP reinforced glulam

依據(jù)GB/T 26899—2011檢測(cè)結(jié)構(gòu)用集成材的抗彎性能。采取四點(diǎn)彎曲方法進(jìn)行檢測(cè)，下跨距為集成材高度的18倍，即5 184 mm，兩加載點(diǎn)距離為集成材高度的4倍，即1 152 mm，加載速度13 MPa/min。在結(jié)構(gòu)用集成材各層板的中間位置粘貼應(yīng)變片，用IMC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、位移計(jì)采集加載過程中各層板的應(yīng)變數(shù)據(jù)以及結(jié)構(gòu)用集成材的撓度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表3 抗彎實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Bending test results

表3為結(jié)構(gòu)用集成材抗彎實(shí)驗(yàn)結(jié)果。分析表3可知，隨著預(yù)應(yīng)力的增加，集成材木梁的極限荷載、抗彎強(qiáng)度與抗彎彈性模量顯著增大。施加50%預(yù)應(yīng)力時(shí)，極限荷載較未增強(qiáng)木梁提高了15.8%，抗彎強(qiáng)度提高了38.5%，抗彎彈性模量提高了23.9%；施加58%預(yù)應(yīng)力時(shí)，極限荷載較未增強(qiáng)木梁提高了36.8%，抗彎強(qiáng)度提高了63.8%，抗彎彈性模量提高了57.2%；施加66%預(yù)應(yīng)力時(shí)，極限荷載較未增強(qiáng)木梁提高了51.8%，抗彎強(qiáng)度提高了81.7%，抗彎彈性模量提高了70.5%。

3.1 破壞形式與破壞機(jī)理

圖2為預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材在加載過程中的三種破壞形式。未增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材在加載過程中，受拉區(qū)木材纖維達(dá)到極限拉應(yīng)變而破壞，表現(xiàn)為脆性拉伸破壞形式，破壞具有突然性。這是由于木材本身具有節(jié)子、斜紋等天然缺陷以及木材層板的縱向指接導(dǎo)致木材層板的抗拉強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度，因此未增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材表現(xiàn)為受拉區(qū)脆性拉伸破壞。預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材在加載過程中表現(xiàn)的三種破壞形式為：a）結(jié)構(gòu)用集成材底部層板首先拉伸破壞，但此時(shí)集成材仍能夠繼續(xù)承載。繼續(xù)加載，受拉區(qū)CFRP、受拉區(qū)木材和受壓區(qū)木材共同承載。最終結(jié)構(gòu)用集成材因受拉區(qū)木材拉伸破壞而失效，此時(shí)受壓區(qū)木材出現(xiàn)部分壓潰。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因可能是預(yù)應(yīng)力施加不足。b）底部層板首先拉伸破壞，后集成材木梁中部發(fā)生剪切破壞，同時(shí)受壓區(qū)木材出現(xiàn)部分壓潰。c）底部層板斷裂后，繼續(xù)加載，致使集成材受壓區(qū)木材壓潰破壞而失效。通過對(duì)CFRP施加預(yù)應(yīng)力，致使結(jié)構(gòu)用集成材彎曲破壞形式發(fā)生了改變，由脆性拉伸破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有詨嚎s破壞。由于CFRP具有很高的抗拉強(qiáng)度，檢測(cè)過程中并未出現(xiàn)CFRP斷裂的現(xiàn)象。同時(shí)檢測(cè)過程中所有試件均未出現(xiàn)CFRP與木材分層剝離的現(xiàn)象，這證明膠合和機(jī)械錨固相結(jié)合的方式起到了很好的錨固作用。

圖2 破壞形式Fig.2 Failure mode

3.2 荷載與撓度的關(guān)系

圖3為各實(shí)驗(yàn)組典型的荷載-撓度曲線。從圖分析可知，預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材較未增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材延性系數(shù)明顯提高，并且經(jīng)預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)后極限荷載有顯著增大。W組未增強(qiáng)集成材在達(dá)到極限荷載后，承載能力急劇下降，而預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)集成材在部分木材破壞后仍具有較強(qiáng)的承載能力。這說明預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材具有更加優(yōu)異的預(yù)警機(jī)制，在使用中更加安全。并且在承受相同荷載的情況下，預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材的撓度變形更小，并且隨著預(yù)應(yīng)力的增加，撓度變形呈減小趨勢(shì)。這是由于預(yù)應(yīng)力的增加使集成材產(chǎn)生的反拱增大，進(jìn)而能夠抵消更多的荷載。這也表明：通過對(duì)CFRP施加預(yù)應(yīng)力增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材的方式，可以改善結(jié)構(gòu)用集成材受彎時(shí)撓度過大的現(xiàn)象。

圖3 荷載-撓度曲線Fig.3 Load-deflection curve

3.3 中性軸位置變化

圖4 跨中截面沿高度方向（梁頂部至底部）應(yīng)變分布Fig.4 Strain distribution along the high direction(top to bottom) of the cross section

圖4為各實(shí)驗(yàn)組跨中截面沿高度方向（梁頂部至底部）應(yīng)變分布曲線。其中拉應(yīng)變?yōu)檎?，壓?yīng)變?yōu)樨?fù)。圖中預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材跨中截面應(yīng)變基本呈線性分布。并且隨著荷載的增加，中性軸位置保持不變。圖4b中40 kN折線出現(xiàn)明顯偏離是因?yàn)榇藭r(shí)集成材底部層板拉伸破壞。因此可以確定預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材基本符合平截面假定。由圖4可知，未增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材中性軸位于距梁頂部144 mm處，即在梁體幾何中性軸位置。施加50%、58%、66%預(yù)應(yīng)力時(shí)，集成材木梁中性軸分別位于距梁頂部148、149、156mm處，相對(duì)于未增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材木梁的中性軸位置分別向下偏移了1.4%、1.7%、4.2%（偏移量=偏移絕對(duì)值/梁高×100%）。分析可知，通過施加預(yù)應(yīng)力的方式可以使結(jié)構(gòu)用集成材中性軸向下偏移，并且隨著預(yù)應(yīng)力的增加，偏移量增大。這進(jìn)一步證明預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材能夠更加充分地利用木材的抗壓能力。

3.4 荷載與應(yīng)變的關(guān)系

圖5為結(jié)構(gòu)用集成材各層板的荷載-應(yīng)變曲線，圖例h-x mm表示應(yīng)變片到集成材木梁頂部的距離，例如h-15mm表示此應(yīng)變片距集成材木梁頂部15 mm。未增強(qiáng)集成材木梁與預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)集成材木梁的各層板應(yīng)變隨荷載的增加基本呈線性變化。CFRP預(yù)應(yīng)力越大，集成材承受荷載時(shí)各層板的應(yīng)變差異越小，各層板的受力也就越接近。分析圖5可知：集成材木梁彎曲時(shí)，施加50%與58%預(yù)應(yīng)力的集成材木梁較未增強(qiáng)木梁，梁體截面受壓區(qū)域有小幅增大。當(dāng)施加66%預(yù)應(yīng)力時(shí)，部分層板由受拉轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌?，使梁體截面受壓區(qū)域明顯增大。這說明施加合適的預(yù)應(yīng)力能夠顯著增大集成材木梁的受壓區(qū)域，進(jìn)而充分利用木材的抗壓能力，提高木材的利用率。

圖5 荷載-應(yīng)變曲線Fig.5 Load-strain curve

4 結(jié)論

通過對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了不同預(yù)應(yīng)力CFRP對(duì)結(jié)構(gòu)用集成材抗彎性能的影響，得出以下結(jié)論：

1）通過對(duì)CFRP施加預(yù)應(yīng)力可以使結(jié)構(gòu)用集成材的彎曲失效模式由受拉區(qū)脆性拉伸破壞轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌簠^(qū)延性壓縮破壞。

2）預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材的延性系數(shù)較未增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材顯著提高，并且預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材可以改善普通結(jié)構(gòu)用集成材受彎時(shí)撓度過大的現(xiàn)象。

3）CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材較未增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材，極限荷載、抗彎強(qiáng)度和抗彎彈性模量顯著增大。當(dāng)施加66%預(yù)應(yīng)力時(shí)增強(qiáng)效果最為明顯，此時(shí)CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材極限荷載、抗彎強(qiáng)度、抗彎彈性模量分別較未增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材提高了51.8%、81.7%、70.5%。

4）預(yù)應(yīng)力CFRP增強(qiáng)結(jié)構(gòu)用集成材符合平截面假定。并且施加預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)用集成材中性軸位置向下偏移。當(dāng)施加66%預(yù)應(yīng)力時(shí)，中性軸向下偏移達(dá)到4.2%，使集成材木梁受壓區(qū)域明顯增大。

實(shí)驗(yàn)證明通過施加預(yù)應(yīng)力的方式可以顯著提高集成材的抗彎性能，使木材的抗壓能力得到充分的利用，提高木材的利用率，并且預(yù)應(yīng)力越大增強(qiáng)效果越明顯。

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