竹梁抗拉區(qū)纖維布的應(yīng)用研究

竹梁抗拉區(qū)纖維布的應(yīng)用研究

竹材是一種節(jié)能環(huán)保的生態(tài)綠色材料。它具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、可回收、環(huán)境效好等特點(diǎn)。1.4。與木材相比,具有更高的強(qiáng)重比、更好的耐磨性及相對(duì)較低的吸水膨脹率等優(yōu)勢,強(qiáng)度較一般木材高50%~100%,比強(qiáng)度是杉木的1.5~2.5倍,是中碳鋼的2~3倍［4－5］。竹材在土木工程中的應(yīng)用逐漸被重視［6－8］。但是研究與應(yīng)用發(fā)現(xiàn),與鋼材相比,竹材的彈性模量較低,易受拉脆斷［9］,因此,改善與提高竹材在土木工程領(lǐng)域的適用性,增強(qiáng)其跨越能力是竹結(jié)構(gòu)發(fā)展的必然方向。纖維復(fù)合材料(FRP)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、易裁剪、施工性好、節(jié)省人工等優(yōu)點(diǎn),用FRP增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)已有研究［10－12］,筆者利用FRP增強(qiáng)竹結(jié)構(gòu),在普通竹梁受拉區(qū)加入FRP增強(qiáng)材料,實(shí)現(xiàn)FRP與竹材的共同工作,提高竹梁的承載力與剛度,減小跨中位移,通過碳纖維(CFRP)、玄武巖纖維(BFRP)增強(qiáng)竹梁試驗(yàn),研究了纖維增強(qiáng)竹梁的抗彎力學(xué)性能。1材料和方法1.1試驗(yàn)2.4結(jié)果所用碳纖維布為日本東麗20碳纖維(CFRP),名義厚度0.111mm,強(qiáng)度為4067MPa,彈性模量239.8GPa,極限應(yīng)變1.7%;玄武巖纖維(BFRP)為浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn),名義厚度0.111mm,強(qiáng)度1716.4MPa,彈性模量88.2GPa,極限應(yīng)變2.3%。選擇性能穩(wěn)定、力學(xué)性能較好的竹材重組材,采用冷壓工藝壓制［13］,參考文獻(xiàn)[14-15]的要求,試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的試件尺寸為1800mm×100mm×105mm。竹材采用酚醛樹脂膠浸漬,浸膠量1%,冷壓壓力70MPa,密度1.03g/cm3,竹材實(shí)測彎曲彈性模量11.9GPa。為了將纖維加工復(fù)合于竹材的截面內(nèi)部,在距竹梁底面15mm處沿縱向水平鋸開,將纖維布浸漬環(huán)氧樹脂膠(0.5~0.7kg/m2),鋪設(shè)于竹梁截面鋸開位置,覆上15mm竹板,再施加壓力至固化完成,環(huán)氧樹脂膠采用德國慧魚纖維浸漬膠。完成制作的5組試件編號(hào)分別為B-0(對(duì)比試件)、BB-1(1層BFRP)、BB-2(2層BFRP)、BC-1(1層CFRP)、BC-2(2層CFRP)。1.2試驗(yàn)加載速度加載試驗(yàn)為靜載試驗(yàn),采用4點(diǎn)彎曲加載。試件居中放置,凈跨距L=1710mm,跨高比17∶1,兩個(gè)集中荷載作用點(diǎn)間距a=570mm。試驗(yàn)初期加載速度為4mm/min,在接近理論最大荷載時(shí),加載速度降到1.5mm/min,以便觀察試件的具體破壞過程。為了記錄竹梁試件側(cè)面和上、下底面的應(yīng)變,在竹梁跨中截面表面粘貼了8個(gè)應(yīng)變片(Y1—Y8),其中頂面和底面各2個(gè),頂面為Y1、Y2,底面為Y7、Y8;正側(cè)面應(yīng)變片4個(gè),自上而下分別為Y3—Y6;側(cè)面應(yīng)變片間的距離均為20mm。2結(jié)果與分析2.1試驗(yàn)結(jié)果及分析各試件荷載-位移關(guān)系曲線見圖1。在加載初期,隨著荷載的增加,位移基本成線性增加;當(dāng)加載到極限荷載的50%左右時(shí),逐漸進(jìn)入塑性階段;當(dāng)接近極限荷載時(shí),曲線逐漸平緩,荷載上升較緩慢;試件在達(dá)到最大極限荷載后,承載力迅速下降,多數(shù)試件在破壞后維持的承載力較低。未添加增強(qiáng)纖維布的試件B-0在位移達(dá)到33mm后不斷聽到竹材崩裂的聲音,在位移達(dá)到40mm左右時(shí),竹材在側(cè)面下邊角部有輕微斷裂,在位移44mm時(shí)另一側(cè)面角部竹材破裂,隨后底層的竹材分層逐漸斷裂,荷載下降。BB-1在加載到位移40mm時(shí)開始出現(xiàn)細(xì)微的響聲,此后斷斷續(xù)續(xù)出現(xiàn)膠繃緊響聲,試件彎曲開始逐漸明顯,在位移達(dá)到60.75mm時(shí),試件一側(cè)面底部開始出現(xiàn)細(xì)微竹材斷裂,在位移達(dá)到65.01mm,出現(xiàn)較大響聲,試件另一側(cè)面底部竹材也開始斷裂,在位移達(dá)到78.10mm時(shí),連續(xù)出現(xiàn)較大斷裂聲,底部竹材斷裂加大并沿FRP層向兩端方向擴(kuò)展,并繼續(xù)向上擴(kuò)展至距底面約35mm處,隨后裂縫繼續(xù)擴(kuò)大與升高,試件承載力逐漸降低。BB-2在跨中位移31.88mm時(shí),開始出現(xiàn)細(xì)微響聲,位移達(dá)到56.77mm時(shí),出現(xiàn)細(xì)微竹材斷裂響聲,試件彎曲明顯,在位移達(dá)到71.40mm時(shí),出現(xiàn)輕脆的斷裂聲,兩側(cè)面底部棱角至FRP層的竹材斷裂,在位移達(dá)到76.35mm,連續(xù)出現(xiàn)較大響聲,跨中底部竹材大量拉裂,在位移達(dá)到89.29mm時(shí),底部繼續(xù)斷裂,發(fā)出竹材斷裂聲,在位移達(dá)到98.98mm時(shí),底部竹材裂縫擴(kuò)展到了試件高度約一半處,荷載下降至較低值。試件BC-1為第1根制作的試件,由于在制作時(shí),其纖維浸漬膠流失較多,纖維與竹材的上下部粘結(jié)效果較差,在跨中位移49.89mm時(shí),發(fā)生輕微響聲,跨中位移54.20mm時(shí),發(fā)出較大響聲,試件在纖維層處出現(xiàn)上下沿縱向水平錯(cuò)開的剪切破壞,荷載急劇下降,竹材未產(chǎn)生斷裂。BC-2在跨中位移32.50mm時(shí),開始出現(xiàn)間斷、細(xì)微的竹材斷裂聲,在位移37.08mm時(shí),彎曲較為明顯,在位移42.50mm時(shí),出現(xiàn)較大連續(xù)響聲,側(cè)邊底部出現(xiàn)輕微斷裂,在位移達(dá)到44.79mm時(shí),試件出現(xiàn)較大響聲,跨中底部竹材受拉斷裂,荷載下降,繼續(xù)加載,荷載又繼續(xù)上升,在位移達(dá)到82.48mm時(shí),發(fā)出較大響聲,竹材斷裂加劇。綜上,對(duì)于4種FRP布增強(qiáng)竹梁試件,除了試件BC-1由于制作工藝問題,在FRP層處發(fā)生了沿縱向的分層剪切破壞,其他3種FRP增強(qiáng)竹梁試件都發(fā)生了跨中竹材受彎拉斷的正常破壞模式。各試件同級(jí)荷載下跨中位移比較見表1。從表1可以看出:與B-0相比,BB-1、BB-2和BC-2均表現(xiàn)出了很好的FRP布增強(qiáng)效果,在10kN的同級(jí)荷載作用下較未添加增強(qiáng)纖維的對(duì)照,其跨中位移減小了9.5%~13.6%;在20kN的同級(jí)荷載作用下的跨中位移減小了7.9%~14.4%;在30kN的同級(jí)荷載作用下的跨中位移減小了12.6%~22.0%,其中以2層CFRP布增強(qiáng)的試件效果最為突出。而BC-1由于試件的制作缺陷,發(fā)生了縱向剪切破壞,沒有達(dá)到預(yù)想的效果。根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［15］規(guī)定,作為結(jié)構(gòu)的受彎構(gòu)件,梁和擱柵的撓度限值為L/250(L為跨度)。該研究中各試件破壞時(shí)的撓度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過這一限值,而分析各增強(qiáng)試件對(duì)應(yīng)L/250時(shí)的荷載FL/250,纖維增強(qiáng)試件BB-1、BB-2和BC-2都有著明顯的提高,對(duì)應(yīng)撓度限值為L/250時(shí)BB-1、BB-2和BC-2的截面剛度有著較大的提高,分別提高9.73%、12.89%、12.76%。在承載早期,碳纖維的較高彈性模量未得到較好的體現(xiàn),但是在承載的后期,2層CFRP增強(qiáng)試件BC-2的跨中位移明顯小于2層BFRP增強(qiáng)試件BB-2,表明彈性模量較好的纖維對(duì)剛度提高更加有效。根據(jù)復(fù)合材料層合梁理論,纖維增強(qiáng)竹梁的截面剛度B按公式(1)計(jì)算:式中:bb、hb分別為竹材的截面寬度與高度,Eb為竹材的彈性模量,db為竹材截面中心與復(fù)合截面中性軸的距離,bf、hf分別為纖維布的寬度與厚度,Ef為纖維的彈性模量,df為纖維層中心與復(fù)合截面中性軸的距離。根據(jù)式(1)對(duì)纖維增強(qiáng)竹梁的荷載-位移關(guān)系進(jìn)行預(yù)測,結(jié)果見圖2。由圖2可見預(yù)測模型與試驗(yàn)吻合很好。2.2各纖維增強(qiáng)作用不同增強(qiáng)結(jié)構(gòu)試件承載力、剛度比較見表2。相對(duì)于對(duì)比試件B-0,FRP增強(qiáng)試件BB-1、BB-2和BC-2的最大承載力提高了30.16%~52.44%,其中2層玄武巖纖維布增強(qiáng)試件BB-2的增強(qiáng)效果最好,提高了52.44%。對(duì)比BB-1、BB-2可知,隨著纖維布層數(shù)的增加,承載力提高的幅度增加。對(duì)比碳纖維增強(qiáng)試件和玄武巖纖維增強(qiáng)試件,對(duì)最大承載力來說,碳纖維增強(qiáng)效果沒有玄武巖纖維增強(qiáng)效果好,這是由于玄武巖纖維布的纖維材料特性(實(shí)際厚度大、膠的滲透性差),在纖維布浸膠完成進(jìn)行施壓時(shí),其內(nèi)部的浸漬膠相對(duì)碳纖維布來說不容易被擠壓流失,因此,其與上下竹材界面的黏結(jié)性能較好,增強(qiáng)效果可以得到較好的保障;而對(duì)于碳纖維布增強(qiáng)試件,在施壓過程中,浸漬膠流失較多,造成纖維布所在層容易剪切失效,承載力增強(qiáng)效果不如玄武巖纖維增強(qiáng)試件。2.3纖維增強(qiáng)試件密度對(duì)其增強(qiáng)效果的影響根據(jù)試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)可得荷載-應(yīng)變的關(guān)系曲線(圖3),其中應(yīng)變以受拉為正,受壓為負(fù)?？梢钥闯?在整個(gè)加載過程中,無論是受拉區(qū),還是受壓區(qū),各測點(diǎn)的應(yīng)變-荷載關(guān)系基本呈線性變化。試件B-0臨近破壞時(shí),受拉區(qū)竹纖維的最大拉應(yīng)變達(dá)到12000με以上,受壓區(qū)的竹纖維最大應(yīng)變可達(dá)7000με左右,由于受拉區(qū)破壞過早,試件受壓區(qū)材料強(qiáng)度未能得到充分發(fā)揮。對(duì)于纖維增強(qiáng)試件,臨近最大承載力,除了BC-1以外,試件受壓區(qū)竹纖維應(yīng)變都達(dá)到12000~14000με,較對(duì)比試件明顯增大,而對(duì)于纖維增強(qiáng)試件受拉區(qū)的竹纖維應(yīng)變,不同纖維類型增強(qiáng)試件有著明顯的差異,BFRP增強(qiáng)試件的極限狀態(tài)下受拉區(qū)應(yīng)變達(dá)到8000~10000με,而CFRP增強(qiáng)試件的受拉區(qū)應(yīng)變較小,為7000με左右,可見,CFRP增強(qiáng)效果較BFRP增強(qiáng)效果差。同級(jí)荷載下各試件應(yīng)變沿截面高度的分布對(duì)比見圖4,可以看出,對(duì)于纖維增強(qiáng)試件,受拉區(qū)竹纖維拉應(yīng)變較對(duì)比試件明顯減小,受壓區(qū)竹纖維壓應(yīng)變明顯增大,截面中性軸位置下移,表明了纖維材料在竹結(jié)構(gòu)承載中的增強(qiáng)作用,而在最大荷載下,由于纖維的增強(qiáng),上部受壓區(qū)竹纖維受壓作用得到了較為充分的發(fā)揮。同時(shí),可以看出,各試件應(yīng)變沿截面高度方向呈線性分布,表明試件破壞前纖維層在與上下竹材黏結(jié)良好,沒有發(fā)生滑移,符合平截面假定。3纖維增強(qiáng)層的作用(1)相對(duì)于未添加纖維增強(qiáng)材料的竹梁,纖維增強(qiáng)竹梁的抗彎承載力提高30.16%~52.44%,對(duì)應(yīng)正常使用極限狀態(tài)撓度限值時(shí)的截面剛度提高9.73%~12.89%,竹梁受拉區(qū)設(shè)置纖維增強(qiáng)層可顯著提高竹梁抗彎承載力與剛度,減小使用荷載下的跨中撓度,