楊 勇,陳 展,王香云,薛建陽
(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,陜西 西安 710055)
由于年代久遠(yuǎn),目前大量的木結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)建筑的主要破損形態(tài),而且,在我國還存有大量的木結(jié)構(gòu)民居建筑,這些民居建筑的木梁和木柱也均存在著較為嚴(yán)重的開裂損傷,如何對這些裂損木結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行維護和加固對于提高結(jié)構(gòu)安全和保護傳統(tǒng)民居文化具有重要意義.
20世紀(jì)末,纖維增強復(fù)合材料(Fiber Rein-forced Plastic,簡稱FRP)已經(jīng)開始被廣泛用于建筑結(jié)構(gòu)的加固補強[1-3].國內(nèi)外較多學(xué)者開展了很多采用FRP加固木結(jié)構(gòu)構(gòu)件和裂損木結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)果表明,玻璃纖維布可對加固木柱產(chǎn)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(jié)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(shù)為研究參數(shù),研究加固木柱的受力性能.研究結(jié)果表明,開裂可使木柱的承載能力和極限位移發(fā)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(shù)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(jié)果表明,CFRP加固木柱的承載力高于GFRP加固木柱.
由此可知,F(xiàn)RP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(jié)構(gòu)并不能有效改善木結(jié)構(gòu)構(gòu)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(yōu)化加固方法并降低加固費用,對一批預(yù)應(yīng)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(tài)、受力性能開展了部分研究.
預(yù)應(yīng)力鋼帶加固裂損木柱試驗中共設(shè)置7個試件B1-B7,以鋼帶間距和鋼帶層數(shù)為研究參數(shù).其中B1為未加固試件,B2-B7為預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件,未加固試件B1和預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼帶對試件兩端進行局部加固,以防止試件端部發(fā)生局部受壓破壞.各試件的具體形式如圖1.
圖1 構(gòu)件制作Fig.1 The fabrication of specimens
鋼帶是一種有效的結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固材料,其具有以下特點:強度高;施工和操作方便;質(zhì)優(yōu)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(yù)應(yīng)力鋼帶的力學(xué)性能如下表2.
表2 鋼帶的力學(xué)性能
試驗于西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)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(yù)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
試件應(yīng)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(yīng)變片,測量試件的豎向應(yīng)變;在加固試件豎向中間位置處的預(yù)應(yīng)力鋼帶上橫向粘貼3個應(yīng)變片,測量預(yù)應(yīng)力鋼帶的環(huán)向應(yīng)變.
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(jié),其中木柱中部兩個木節(jié)相對較大.在開始加載后,柱身中部兩個木節(jié)處逐漸出現(xiàn)縱向和橫向裂縫;隨著荷載逐漸增大,木節(jié)處縱向和橫向裂縫逐漸加寬;最終,兩木節(jié)處橫向裂縫貫通,縱向裂縫寬度接近5 mm,木柱折斷,發(fā)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(jié)較多,預(yù)應(yīng)力鋼帶加固完成后,只有部分木節(jié)裸露.試驗加載過程中,由于預(yù)應(yīng)力鋼帶的約束作用,試件本身裂縫發(fā)展受到明顯限制,木節(jié)處縱向和橫向裂縫的數(shù)量和寬度明顯降低;最終,試件并未發(fā)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(jié)較多.加載過程中,由于鋼帶的約束作用,試件裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展均受到限制,鋼帶間隔位置木節(jié)處產(chǎn)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(yù)應(yīng)力鋼帶加固部位大木節(jié)處被壓斷,木柱外鼓,試件發(fā)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(jié)較多,試件中部有兩個不在同一水平面內(nèi)的木節(jié).加載過程中,當(dāng)荷載較小時,試件中部木節(jié)處逐漸產(chǎn)生縱向和橫向裂縫;隨著荷載逐漸增大,木節(jié)處縱向和橫向裂縫的數(shù)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(tài)時,試件因發(fā)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(jié).在加載過程中,由于預(yù)應(yīng)力鋼帶的約束作用,試件裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展均受到限制,縱向和橫向裂縫的數(shù)量和寬度明顯降低;當(dāng)荷載逐漸增大,試件節(jié)疤處逐漸出現(xiàn)縱向和橫向裂縫;最終,試件因節(jié)疤所在處截面被壓斷而發(fā)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(jié),加固后試件頂部部分木節(jié)裸露在外.加載過程中,試件裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展均受到限制,縱向和橫向裂縫發(fā)展緩慢;當(dāng)荷載逐漸增大,試件木節(jié)處開始產(chǎn)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(jié)處產(chǎn)生斜向滑移面,試件發(fā)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(jié).加載過程中,由于預(yù)應(yīng)力鋼帶的約束作用,試件裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展均受到限制,縱向和橫向裂縫發(fā)展較為緩慢;隨著荷載不斷增加,試件表面木節(jié)處開始出現(xiàn)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(fā)生斷裂;達到極限荷載時,試件折斷現(xiàn)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
通過對各試件的荷載—位移曲線進行分析,對比預(yù)應(yīng)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(xué)性能的變化情況,研究不同的鋼帶間距和層數(shù)對木柱受力性能的影響,驗證預(yù)應(yīng)力鋼帶加固裂損木柱的有效性與可行性.
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(xiàn)了塑性階段;但與未加固試件B1相比,使用預(yù)應(yīng)力鋼帶加固后的試件,由于預(yù)應(yīng)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(xiàn)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(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件的承載力和剛度的改善情況.
對表3和圖11進行分析可知,使用預(yù)應(yīng)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(shù)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
對圖10進行分析可以得到,預(yù)應(yīng)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(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試件的剛度與未加固試件相比沒有明顯提高.
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(jié)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(jié)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(fā)生破壞,預(yù)應(yīng)力鋼帶的約束作用越不能得到充分發(fā)揮,從而導(dǎo)致試件承載力提高較低.
(3)預(yù)應(yīng)力鋼帶的間距和層數(shù)
預(yù)應(yīng)力鋼帶層數(shù)相同時,隨著鋼帶間距減小,木柱的承載能力理應(yīng)有提高,但試驗結(jié)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(shù)增加,鋼帶的約束作用增大,木柱的承載能力得到提高.
以上研究結(jié)果表明,預(yù)應(yīng)力鋼帶加固可對木柱產(chǎn)生有效約束,改善被加固木柱的受力性能.現(xiàn)將預(yù)應(yīng)力鋼帶加固試驗研究結(jié)果與邵勁松等學(xué)者[8-12]采用FRP加固木柱的試驗結(jié)果進行對比,從以下幾方面將預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(fā)展產(chǎn)生限制. FRP加固木柱的破壞形式有兩種:一種是木節(jié)處發(fā)生褶皺,木柱外鼓,導(dǎo)致木纖維被拉斷而發(fā)生破壞;另一種是相鄰兩木節(jié)處的橫向裂縫貫通,導(dǎo)致木柱產(chǎn)生斜向滑移面而發(fā)生破壞.這兩種破壞形式都與木材的自身缺陷有明顯聯(lián)系.預(yù)應(yīng)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(lián)系,鋼帶的間距和層數(shù)對其影響較小;
(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(shù)增多或間距減小提高幅度增大.預(yù)應(yīng)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(shù)和間距對試件剛度無明顯影響. 而預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)力滯后,使兩者可以共同受力,可充分發(fā)揮出鋼帶的材料性能,是一種有效的木柱加固技術(shù).
用預(yù)應(yīng)力鋼帶對木柱進行加固后,由于預(yù)應(yīng)力的作用鋼帶會對木柱產(chǎn)生主動約束,使其在未受軸向壓力作用時,就受到初始環(huán)向約束應(yīng)力.在施加軸向荷載時,被加固木柱處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài),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(yīng)力滯后現(xiàn)象,可以使鋼帶的性能得到充分發(fā)揮,被加固木柱的承載能力和延性性能均得到較大提高.
(1)預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼帶加固木柱,試件的破壞形態(tài)與未加固試件基本相同,但預(yù)應(yīng)力鋼帶加固避免了鋼帶的應(yīng)力滯后現(xiàn)象,鋼帶對木柱產(chǎn)生主動約束,試件的屈服荷載得到明顯提高,也表現(xiàn)出更好的延性性能.
(3)木柱的自身強度、裂損和木節(jié)等缺陷對加固木柱的極限承載力均有較大影響,導(dǎo)致未能體現(xiàn)出不同鋼帶間距和層數(shù)的加固效果.
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