FRP加固木柱軸壓性能研究綜述

梅力丹 左宏亮

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic,簡(jiǎn)稱FRP)，是由基體材料與纖維材料按一定的比例經(jīng)成型工藝復(fù)合形成，F(xiàn)RP具有高比強(qiáng)度、高模量、抗腐蝕、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)。FRP始自于20世紀(jì)40年代，但由于受到工藝水平和技術(shù)成本的限制，僅應(yīng)用于軍事、航天等高精端領(lǐng)域。自20世紀(jì)80年代起隨著工藝水平的提升并且FRP具有提高結(jié)構(gòu)的橫向拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度等優(yōu)勢(shì)，因此FRP被逐步應(yīng)用于土木工程的領(lǐng)域之中，例如在1981年Meier首次采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固研究[1]。我國(guó)在1997年開始引進(jìn)FRP對(duì)土木工程中的建筑構(gòu)件進(jìn)行加固，2000年在北京舉辦了首屆FRP混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)，為在我國(guó)推廣及應(yīng)用FRP加固技術(shù)起到了重要作用[2]。在建筑工程領(lǐng)域中，柱作為結(jié)構(gòu)體系里重要的組成部分，決定結(jié)構(gòu)的整體安全性。傳統(tǒng)木柱的加固方法主要有剔補(bǔ)、墩接加固、化學(xué)灌漿、附加斷面法、加鐵箍法等，但傳統(tǒng)加固技術(shù)施工復(fù)雜且容易對(duì)木柱造成不可逆的損傷。采用FRP加固后的木柱，不增加自重、施工簡(jiǎn)便、易于替換與修補(bǔ)，同時(shí)可為后續(xù)的修繕、加固提供有利條件。因此，采用FRP加固木柱具有重要意義。本文針對(duì)現(xiàn)階段FRP加固木柱在軸壓狀態(tài)下的研究情況進(jìn)行概述，總結(jié)以往學(xué)者的研究，并提出幾點(diǎn)建議。

1 FRP類型及其性能

FRP常見種類有碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(GFRP)、芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(AFRP)、玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(BFRP)等。FRP主要形式可分為管材、筋材和片材，其中片材分為纖維布和FRP板。目前，F(xiàn)RP相關(guān)的加固實(shí)際應(yīng)用與研究多采用纖維布的形式，是由于纖維布的柔韌性較好，適用于不同截面類型的構(gòu)件并且可現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裁剪加固工作，對(duì)施工環(huán)境和操作工藝要求相對(duì)較低，因此被廣泛應(yīng)用于加固混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)等，纖維布的主要類型及其力學(xué)指標(biāo)如表1所示[3]。

2 FRP對(duì)加固木柱的軸壓性能試驗(yàn)研究

現(xiàn)階段試驗(yàn)研究多針對(duì)于在軸心受壓狀態(tài)下采用FRP加固木柱，研究不同粘貼層數(shù)及粘貼方式對(duì)木柱的力學(xué)性能的影響，如圖1，圖2所示[4]。詳細(xì)探究加固木柱在軸壓狀態(tài)下的破壞形態(tài)、極限承載力、軸心抗壓強(qiáng)度、延性系數(shù)、剛度、荷載—位移曲線、荷載—應(yīng)變曲線等力學(xué)特性，并得出相應(yīng)的結(jié)論，為FRP加固木柱應(yīng)用于實(shí)際工程之中提供可靠的依據(jù)和參考。

FRP約束木柱具有良好的約束性能。通過(guò)對(duì)比未加固柱與加固柱的荷載—應(yīng)變曲線，可觀察到未加固柱的荷載與應(yīng)變近似呈線性關(guān)系，木柱破壞形態(tài)表現(xiàn)為脆性破壞；加固柱的荷載—應(yīng)變曲線主要分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段為彈性階段，荷載與應(yīng)變大致呈線性關(guān)系；第二階段為塑性階段，應(yīng)變?cè)龇俣缺群奢d增幅速度更快，且具有明顯的塑性流幅，該階段可反映出FRP對(duì)木柱的約束作用效果，應(yīng)變?cè)龇酱蟊砻鱂RP對(duì)木柱的約束作用越好，即FRP對(duì)核心木柱起到有效約束[5,6]。

FRP加固層數(shù)對(duì)極限承載力有不同程度的提高。在相同加固方式的條件下，加固木柱的極限承載力隨著加固層數(shù)的增加有不同程度的提高，但極限承載力不隨加固層數(shù)的增加而無(wú)限增長(zhǎng)，當(dāng)加固層數(shù)到達(dá)某一限值，極限承載力開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。例如采用AFRP加固木柱，加固層數(shù)增加到第3層時(shí)，極限承載力呈現(xiàn)下降狀態(tài)[4,7]。因此，采用不同的FRP對(duì)木柱進(jìn)行加固時(shí)，應(yīng)首先確定最優(yōu)加固層數(shù)，使加固后木柱的極限承載力提高幅度達(dá)到最大值，同時(shí)達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理化和滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

FRP加固方式對(duì)加固效果有不同的影響。采用FRP加固木柱，主要采用沿木柱表面全包裹、局部包裹、間隔包裹的形式，其中因FRP纏繞包裹的角度不同，又可分為環(huán)向加固和螺旋加固的形式。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，全面積包裹的加固效果最佳，加固效果與FRP的包裹面積有關(guān)，其中從纏繞角度的方面可得出以環(huán)向加固優(yōu)于螺旋加固形式的結(jié)論[4,8-10]。綜合考慮加固要求和經(jīng)濟(jì)性等因素，可采用半包或者間隔包裹木柱缺陷、薄弱處等部位，但最佳的包裹位置和包裹間距，有待繼續(xù)深入研究。

3 FRP加固木柱理論研究

3.1 加固機(jī)理

根據(jù)木柱的截面形狀不同，可分為圓柱和方柱。圓柱表面光滑、無(wú)棱角，F(xiàn)RP對(duì)核心木柱約束效應(yīng)呈均勻分布，核心木柱在定值約束應(yīng)力下產(chǎn)生橫向膨脹，當(dāng)縱向應(yīng)力達(dá)到木柱的三向受壓應(yīng)力強(qiáng)度，加固木柱達(dá)到極限承載力；方柱由于存在角部作用效應(yīng)，使FRP對(duì)核心木柱約束不均勻，F(xiàn)RP提供的徑向約束力是通過(guò)拱效應(yīng)向木柱傳遞，按照拱效應(yīng)的強(qiáng)弱程度，將FRP的約束區(qū)可分為強(qiáng)約束區(qū)和弱約束區(qū)，受到強(qiáng)約束的木柱處于三向受壓應(yīng)力狀態(tài)，如圖3所示。

3.2 強(qiáng)度模型

采用FRP的加固設(shè)計(jì)中，需估算加固后極限承載力和抗壓強(qiáng)度，因此需要建立強(qiáng)度模型為實(shí)際的應(yīng)用與研究提供可靠的依據(jù)?，F(xiàn)有FRP加固木柱的強(qiáng)度模型，多以FRP加固混凝土柱為參考。已有的FRP約束混凝土柱強(qiáng)度模型[11]多采用式(1):

(1)

周乾[12]參考混凝土強(qiáng)度模型，提出了CFRP約束圓木柱的強(qiáng)度公式，見式(2):

fr=[1+k1(f1/fc,90)]fc

(2)

其中，fr，fc分別為約束和非約束木材的順紋抗壓強(qiáng)度；fc,90為非約束木材的橫紋抗壓強(qiáng)度；k1為約束有效性系數(shù)。

魏洋等人[13]通過(guò)試驗(yàn)研究，提出了FRP約束圓木柱的強(qiáng)度模型，見式(3):

(3)

其中，fw為木材的抗壓強(qiáng)度；fws為加固木柱的抗壓強(qiáng)度；Ef為纖維布彈性模量；εfh為纖維布環(huán)向拉應(yīng)變；tH為環(huán)向纖維布厚度；nH為環(huán)向纖維布折算層數(shù)；d為木柱直徑。

梁危等人[14]將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出FRP約束方木柱的極限抗壓強(qiáng)度模型，見式(5):

(4)

(5)

目前，對(duì)于FRP加固木柱的強(qiáng)度模型多參考混凝土柱，研究成果較少且沒(méi)有形成統(tǒng)一的強(qiáng)度計(jì)算公式，因此需要進(jìn)一步的試驗(yàn)研究來(lái)驗(yàn)證其正確性。

4 結(jié)論與展望

雖然目前對(duì)現(xiàn)有的FRP加固木柱研究已取得了一定的成果，但相關(guān)的強(qiáng)度分析需進(jìn)一步考慮和研究，具體問(wèn)題和展望如下：

1)由于木材是各向異性材料，存在木節(jié)、裂縫、蟲蛀等多種天然缺陷，同時(shí)受到溫度、含水率、蠕變等多種因素影響，預(yù)估加固后木柱極限承載力與試驗(yàn)實(shí)際結(jié)果誤差較大；

2)目前現(xiàn)有研究多針對(duì)于純圓木柱使用FRP進(jìn)行加固，但對(duì)膠合木方柱的加固研究較少。FRP約束方木柱時(shí)存在強(qiáng)、弱約束區(qū)，因此確定FRP對(duì)木柱核心有效約束面積和與矩形截面的長(zhǎng)、寬之間的關(guān)系成為關(guān)鍵；

3)現(xiàn)研究的成果中FRP約束方木柱的抗壓強(qiáng)度多根據(jù)FRP約束圓形柱的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到約束有效系數(shù)，僅對(duì)部分種類木材進(jìn)行試驗(yàn)且試件數(shù)量較少，所得理論數(shù)值與實(shí)際應(yīng)用的誤差較大且不具有普遍性和代表性；

4)實(shí)際工程多針對(duì)于負(fù)載狀況的木柱進(jìn)行加固，但目前研究多對(duì)無(wú)負(fù)載木柱進(jìn)行加固再進(jìn)行受力分析，使試驗(yàn)研究結(jié)果與實(shí)際工程應(yīng)用有較大的差距，同時(shí)纖維布與木柱之間存在應(yīng)力滯后問(wèn)題，需要更深入的研究。